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¿Qué ventajas brindan las Pilas de Grava Compactada para el apoyo de naves industriales?

Descubre las ventajas que tiene el uso de las Columnas de Grava Compactada en el sector industrial

By Héctor de la Fuente & José Luis Aguirre  

La pandemia que se originó debido al COVID-19 aceleró exponencialmente al e-commerce en nuestro país y con ello la necesidad de construir una considerable cantidad de naves industriales para almacenar o producir los bienes a distribuir. Así mismo, la ratificación del Tratado de Libre Comercio y la DESglobalización ha hecho que el sector industrial y de manufactura se consolidara en México, los cuales también requieren de miles de m2 de naves industriales para la producción de las diversas autopartes.

Por lo tanto, este blog se describen las ventajas de las Columnas o Pilas de Grava Compactada como alternativa de solución en el apoyo de naves industriales.

Alternativas de cimentación tradicional

El apoyo de instalaciones industriales requiere de un sistema que proporcione soporte a grandes magnitudes de carga axial, momentos y en algunos casos tensiones debido a las combinaciones de carga sísmica. Estos tipos de solicitaciones se resuelven normalmente mediante zapatas y losas de cimentación apoyadas en micropilotes, pilas de cimentación, excavación y reemplazo con materiales de buena calidad o con materiales tratados con cementantes. Estas opciones brindan soluciones que cumplen con los estados límites de falla y servicio, sin embargo, en ocasiones pueden convertirse en soluciones robustas poco costo efectivas y con cronogramas de construcción bastante extensos.

Soluciones con Columnas de Grava Compactada Geopier

Una solución con mayores ventajas es el uso de Pilas de Grava Compactada, el cual es un sistema de mejoramiento donde se realiza una sustitución parcial del suelo por agregado compactado con equipo de alta energía, dando como resultado un elemento semi-rígido que densifica al suelo de manera radial, proporcionando una mayor capacidad de carga y una reducción en la compresibilidad.

El sistema constructivo se ha utilizado en todo el mundo para el apoyo de instalaciones industriales, algunos casos de éxito son el centro de distribución (CEDIS) de Walmart en Villahermosa, Tabasco; Nave McCormick en Zumpango, Estado de México; Spirit AeroSystems Inc en Carolina del Norte; Tottus en Perú; nave Almer y nave Aldo en Guadalajara Jalisco y Tezopark IV ubicada en Tepotzotlán Estado de México.

Ventajas del uso de Pilas de Grava Compactada

El tipo de sistema constructivo y los resultados obtenidos presentan ventajas significativas con respecto a otras soluciones para el apoyo de cimentaciones de naves industriales.

A continuación, se resumen estas ventajas:

  • Capacidad de carga mejorada: Las Pilas de Grava Compactada aportan capacidades de carga significativamente mejoradas por lo que permiten reducir significativamente las dimensiones de las zapatas aun considerando los momentos que presentan el tipo de estructura de las instalaciones industriales.
  • Control de asentamientos: El apoyo de Racks requiere de un excelente control en las deformaciones tanto verticales y diferenciales. Los sistemas de mejoramiento a base de Columnas de Grava Compactada brindan un control en los asentamientos con base en los criterios de diseño permisibles.
  • Versatilidad: El sistema constructivo es compatible con cualquier tipo de suelos, ya sean arenas, arcillas, rellenos no controlados e incluso suelos con alto contenido orgánico.
  • Rapidez: los pocos insumos y las esbeltas cuadrillas de trabajo dan resultado a una solución una solución tanto costo-efectiva como rápida al momento de construir.

Caso de éxito: Nave Aldo

  • Descripción del proyecto

El proyecto Aldo está conformado por una nave industrial, construida mediante estructura metálica (columnas y vigas) con cubierta ligera que, con una altura que puede ir de los 12 a los 15 m.

Se encuentra sobre la acera oriente de la carretera La venta-Nextipac, identificada con el No. 3020, próximo al poblado La Venta del astillero, en el municipio de Zapopan, Jal. El Poblado la Venta del Astillero se encuentra al noroeste de la zona metropolitana de Guadalajara.

 

Ilustración 1 Ubicación del sitio de la nave Aldo

  • Condiciones geotécnicas y solución convencional

La exploración geotécnica consistió en 14 sondeos de penetración estándar SPT hasta una profundidad de 10m aproximadamente.

En general, las condiciones estratigráficas encontradas consisten en un estrato de limo arenoso de consistencia media a rígida hasta una profundidad de 1.2m, seguido de una arena limosa suelta hasta 4m de profundidad, subyacente por arena con limo medianamente densa hasta los 10m de profundidad. El nivel freático fue encontrado entre 5 y 7m de profundidad durante las exploraciones.

De acuerdo con los resultados obtenidos en todos los sondeos y en las pruebas de laboratorio, las capas superficiales hasta 1.50m de profundidad predominantemente, y solamente en uno o dos sondeos hasta 2.0 m., no presentaban condiciones adecuadas para recibir directamente una cimentación superficial. La alternativa convencional sugería que se debería de remover la capa superficial has aproximadamente dos metros de profundidad por debajo del nivel de la cimentación y sustituirlo por material de banco compactado al 95% de la prueba Proctor.

Sin embargo, la solución de relleno controlado se debía mediante excavaciones apuntaladas o troquelando para evitar los derrumbes de material suelto, lo que aumentaba los volúmenes de material por retirar. Además, la excavación deberá estar abierto el menor tiempo posible, tratando de evitar el temporal de lluvias, y protegiendo con plástico los taludes para que no se interperizan. Esta solución resulto ser bastante tardada, los tiempos de construcción se extenderían demasiado.

Otra alternativa fue el uso micro pilas o pilas de cimentación desplantadas hasta 4.5m de profundidad, resultando en una solución poco costo-efectiva impactando considerablemente el monto total de la cimentación.

Como solución final, se contemplo el uso de Pilas de Grava Compactada de 76 cm de diámetro hasta 2 m de profundidad por debajo de la huella de la cimentación mediante el sistema constructivo GP3 de Geopier®. Esta solución disminuyo los tiempos de construcción en un 60% en comparación con la alternativa con rellenos compactado y un ahorro en costo directo del 25% en comparación con la solución a base de micropilotes.

 

Figura 2 Comparativa con otras alternativas

  • Proceso constructivo de pilas de grava compactada GP3®: 

  1. Se realiza una perforación (remplazo) de diámetro de 30” (0.76 m).

  • Se deposita una primera capa de agregado (grava limpia angular de tamaño medio 5cm aproximadamente) en el fondo de la perforación. Se apisona lo suficiente para formar un bulbo estabilizado en la parte inferior de las pilas, de esta manera se pre-esfuerzan los suelos hasta una profundidad de al menos un diámetro debajo de la profundidad de perforación.

  • Tras la primera capa estabilizada en el fondo de la perforación, se compactan capas sucesivas de un espesor aproximado de 0.3 metros hasta llegar a la cota de coronamiento. Cada capa de grava se compacta mediante el uso de un apisonador biselado patentado que aplica una alta energía de compactación con alta frecuencia.

 

Figura 3 Perforación para la construcción de los elementos de grava compactada GP3®


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Conclusiones

El uso del sistema constructivo a base Columnas de Grava Compactada logró ahorrar tiempos de hasta un 60% en la construcción de la nave industrial ALDO, en comparación con la alternativa de rellenos compactados evitando troquelar y apuntalar las excavaciones de mayor profundidad para el mejoramiento del suelo y evitamos riegos como la destabilizacion de taludes al hacer esas excavaciones. Además, se generaron ahorro del 25% en comparación con la alternativa de los micropilotes, donde se proponía desplantarse a una profundidad de 5 metros, generando un mayor costo y un incremento en el tiempo en la fabricación de los micropilotes.

En total se instalaron 775 Pilas de Grava Compactada con el sistema Gp3® de 2 m de largo en un tiempo de ejecución de 15 días, brindando una solución con tanto costo-efectiva como rápida para el apoyo de naves industriales, reduciendo significativamente el drama en la construcción.

Referencias

Wissman, K, FitzPatrick, B, & White. Settlement control for embankments and transportation related structures using geopier soil reinforcement. Technical Bulletin No. 6. Geopier®

Wissman, K, & FitzPatrick, B. Uplift resitence. Technical Bulletin No. 3

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Uso de Columnas de Grava Compactada para el apoyo de losas de cimentación

Disminuye los costos y tiempos de construcción de tu cimentación con los sistemas Geopier®

By Mayra Nolasco & Héctor de la Fuente

Cuando las descargas estructurales son tan grandes que el área que ocupan las zapatas de cimentación es igual o mayor a un 50% de la huella de la estructura, resulta más económico el uso de una losa de cimentación, la cual no solo distribuye las descargas en una mayor área, reduciendo la presiones sobre el suelo, sino que evita o disminuye los asentamientos diferenciales. También, el uso de una losa como cimentación es recomendable si se detecta gran heterogeneidad en la estratigrafía del sitio de construcción.

En general, las losas de cimentación se utilizan en suelos donde se obtienen bajas capacidades de carga para zapatas corridas o aisladas. Sin embargo, si se tienen estratos de suelo blando o de baja compacidad de gran espesor, es probable que los asentamientos estimados superen los valores permisibles por reglamento. En este caso, puede recurrirse a un método de mejoramiento de suelo o al cambio del tipo de cimentación.

A lo largo de este blog se abordarán las ventajas del mejoramiento con pilas de grava compactada Geopier® para el apoyo de losas de cimentación.

¿Cuáles son los métodos constructivos de Pilas de Grava Compactadoa Geopier® para el apoyo de losas de cimentación?

Los métodos constructivos de Columnas de Grava Compactada Geopier® recomendados para el apoyo de losas de cimentación son:

 

GP3®

 

IMACT®

 

1X®

GP3® IMPACT® X1®
Cuadrilla de 4 personas y 3 máquinas Cuadrilla de 3 personas y 2 máquinas Cuadrilla de 4 personas y 3 máquinas
Rendimiento de 200 m lineales por jornada en condiciones óptimas Rendimiento de 300 m lineales por jornada en condiciones óptimas Rendimiento de 200-300 m lineales por jornada en condiciones óptimas
Hasta 8 m de profundidad de mejoramiento Hasta 15 m de profundidad de mejoramiento Hasta 10 m de profundidad de mejoramiento

La variedad de métodos constructivos de las Pilas de grava compactada Geopier® permiten construirlas con o sin presencia de nivel de agua freática cerca de la superficie y de forma rápida y limpia. Las cuadrillas de trabajo son reducidas involucrando entre 3 y 4 personas únicamente, y con altos rendimientos de construcción de metros lineales por jornada.

Las Columnas de Grava Compactada Geopier® también contribuyen con el control de los asentamientos totales y diferenciales de la estructura, ya que densifican el suelo a su alrededor y proporcionan puntos de drenaje radial en el subsuelo.

Con el sistema de mejoramiento de suelos Geopier® se introducen en el subsuelo elementos de alta compacidad y se mejoran las propiedades del suelo circundante. Estas permiten reducir tanto el espesor de la losa de cimentación como la cantidad de acero de refuerzo, mitigar el potencial de licuación de los suelos o acelerar el proceso de consolidación.

Comparado con otras alternativas como la excavación y reemplazo, suelo-cemento, pilas o pilotes, se obtienen ahorros en los costos y los tiempos de construcción de las cimentaciones.

¿Cómo se diseñan las losas apoyadas sobre un suelo mejorado con Pilas de Agregado Compactado Geopier®?

Con capa de transferencia

Como las Pilas de Agregado Compactado Geopier® tienen una mayor rigidez que el suelo mejorado, por debajo de la losa de cimentación se puede colocar una capa de transferencia de carga para disminuir los esfuerzos de flexión que generen, y uniformizar la distribución de cargas en la losa. Esta capa puede estar conformada por arena con finos de baja plasticidad y puede diseñarse considerando un mecanismo de falla por punzonamiento para terraplenes de poco espesor.

 

Fig. 1 Esquema de losa de cimentación apoyada sobre un suelo mejorado con pilas de grava compactada con capa de transferencia de carga.

Sin capa de transferencia

Para el diseño estructural de la losa apoyada directamente sobre el suelo mejorado con columnas de agregado compactado Geopier® debe considerarse que estos elementos poseen una rigidez mucho mayor que la del suelo mejorado gracias a su procedimiento constructivo que implica la compactación por capas del agregado de ¾ a 1 ½” de diámetro. Sin embargo, los esfuerzos flectores en la losa serán siempre menores a los que genera un elemento de concreto, debido a que, comparado con elementos de concreto, las pilas de agregado compactado tienen una menor relación de rigidez con el suelo por debajo de la losa.

 

Fig. 2 Esquema de losa de cimentación apoyada sobre un suelo mejorado con pilas de grava compactada sin capa de transferencia de carga


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Uso en la losa de piso de una nave industrial

Para una nave industrial de aproximadamente 5400 m² de extensión, cuyas descargas estructurales van de 3 a 6 t/m², ubicada sobre arcillas de consistencia blanda y un relleno compactado a base de arena limosa medianamente compacta, los asentamientos diferenciales teóricos, obtenidos considerando que la cimentación es una losa con contratrabes apoyada sobre el terreno natural, eran excesivos (mayores a 5 cm).

Inicialmente, se tenía la propuesta de usar pilas de cimentación; sin embargo, esto afectaba en gran medida la agenda de construcción, así como los costos de la subestructura.

Para esta nave se diseñó el mejoramiento de suelos a base de Columnas de Grava Compactada Geopier Impact®  de 13 m de longitud, generando un ahorro de aproximadamente el 30% del presupuesto inicial con pilas de cimentación.

 

Fig. 3 Instalación de Pilas de Agregado Compactado Geopier Impact® para la losa de una nave industrial

Además, el tiempo de ejecución del mejoramiento fue de 1 mes, por lo que los tiempos de construcción de la cimentación también se vieron beneficiados.

Conclusiones

Se tienen diversas alternativas para la construcción de columnas de agregado compactado Geopier®, que aplican tanto para suelos finos como para suelos gruesos de consistencia muy blanda a firme y compacidad muy suelta a media, respectivamente, al igual que cuando se tienen suelos orgánicos o rellenos no controlados.

Las cuadrillas de trabajo para la construcción de Pilas de Agregado Compactado Geopier® son reducidas, por lo que varias cuadrillas pueden trabajar al mismo tiempo sin problemas para realizar maniobras, y así, reducir aún más los tiempos de ejecución. 

El uso de elementos de concreto para el control de asentamientos de una losa puede resultar bastante costoso, ya que, para evitar una falla por punzonamiento se requiere colocar acero adicional en las zonas donde hay concentraciones de esfuerzos, incrementando a su vez el espesor de la losa.

Referencias

Han, J. (2017). Principles and practices of Ground Improvement. John Wiley & sons, Inc. New Jersey, U.S.A.

Varaksin, S., Hamidi, B., Racinais, J. (2014). The tin line between deep foundations and soil improvement. PNRPU Construction and Architecture Bulletin, pp. 9-32. Geopier Foundation Company. Geopier® solutions for slabs. Floor slabs applicaction flyer.


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¿Qué son las Pilas o Columnas de Grava Compactada?, ¿Cómo se construyen? y, ¿Para qué sirven?

By Héctor de la Fuente & Erika Bernal  

En este blog se describen las principales características de las Columnas o Pilas de Grava Compactada, sus mitos y realidades; así mismo se explica el proceso constructivo del sistema GP3® de Geopier®

¿Qué son las Pilas o Columnas de Grava Compactada?

Se le conoce como Pila / Columna de Grava Compactada a los elementos que se forman al introducir al suelo grava triturada ya sea por proceso de excavación o por desplazamiento, y que posteriormente es densificada por un vibrocompactador y una herramienta especial patentada por la compañía Geopier®. En la figura 1, se muestra un esquema idealizado de pilas de grava bajo una zapata.

Surgieron a mediados de la década de los 80’s del siglo pasado; fueron desarrolladas por el Dr Nathaniel Fox, en Estados Unidos de Norteamérica. El Dr Fox experimentó con varios conceptos para desarrollar una mejor alternativa costo – efectiva a la de las cimentaciones profundas; propuso el concepto de cimentaciones intermedias, cuya primera tecnología son las Columnas de Grava Compactada, conocidas como GP3®.

Se puede llegar a pensar que las Columnas de Grava Compactada, son similares a las columnas de grava construidas con el método de vibrosustitución, ya que se introducen capas de grava en la matriz de suelo; sin embargo, el proceso de construcción es diferente por lo que NO son productos similares. En la tabla 1, al final de este blog, se mencionan algunas de sus diferencias basadas en el análisis comparativo que realizó la Departamento Federal de Caminos en Iowa, Estados Unidos de Norteamérica. 

Las Pilas de Grava Compactada tampoco son compactación dinámica. La cuál consta en dejar caer de una altura entre 25 a 40 m una masa repetitivamente, con la finalidad de obtener un grado de compactación deseado, su densificación alcanza profundidades de hasta 12 metros; sin embargo, deja sobre la superficie las huellas de los impactos las cuales deben de rellenarse; además, requiere de un manejo adecuado de las presiones intersticiales para que funcione.

 

Figura 1. Esquema idealizado de Pilas o Columnas de Grava Compactada bajo una zapata.

¿Cómo se construyen las Pilas o Columnas de Grava Compactada?

Con más de 30 años en el mercado, se han establecido diferentes tecnologías y procedimientos constructivos específicos para cada tipo de terreno. En forma general, describimos el procedimiento constructivo del sistema GP3®:

  1. Con base en los requerimientos del proyecto estructural y la información de Mecánica de Suelos, se elige la tecnología, profundidad de desplante y diámetro del elemento a emplear.
  2. Ya en campo, para este sistema de cimentación intermedia, se realiza una perforación hasta la profundidad determinada por Geopier®.
  3. Posteriormente, se introduce grava de ¾ a 1 ½ ” de preferencia sin finos, aunque en algunas tecnologías puede aceptarse un porcentaje de material fino.
  4. Para densificar la grava se emplea un pisón patentado por Geopier® que tiene la característica de tener un ángulo de biselado especifico, una válvula check al fondo que permite el flujo de grava, pero no introducirse nuevamente.
  5. El pisón esta ligado a un martillo hidráulico que provee una energía de compactación de baja amplitud y frecuencia alta. Dicha energía densifica la grava y la desplaza lateralmente en el terreno. Este efecto reduce la deformabilidad de la columna, pues el módulo de deformación de la grava se incrementa con la presión de confinamiento.

Las vibraciones producto del apisonado del material granular que conforma la Columna/Pila de Grava Compactada, tienen frecuencias dominantes entre 30 y 40 Hz mientras que, para el hincado de pilotes a percusión, las frecuencias dominantes se encuentran entre 12 y 18 Hz, mismas que tienen más probabilidad de generar daños a las estructuras por sus periodos cercanos a 0.1 s.

Se compacta la grava creando un bulbo inferior de aproximadamente 33 cm de espesor. Este proceso puede llamarse pre-deformación y pre-esfuerzo de la matriz de suelo del bulbo inferior (condiciones previas a la deformación producida por la estructura)

  • Se repite el proceso anterior formando bulbos de 33 cm de espesor, con esta metodología se crea un apisonamiento vertical y lateral, formando un fuste de grava denso y que desplaza lateralmente la matriz del suelo. Se pre-deforma y pre-esfuerza lateralmente el material que rodea la pila (condiciones previas a la deformación producida por la estructura)
  • Para verificar la rigidez de los elementos se realizan pruebas de módulo, las cuales fueron diseñadas con base en las normas ASTM D 1194 Y ASTM D 1143. La metodología de Geopier® establece realizar pruebas de módulo para confirmar la validez de sus diseños.
  • En SOILSOLUTION®, se han efectuado gran número de pruebas de módulo con resultados satisfactorios. El caso más reciente es el ensaye realizado para el proyecto de terraplenes del nuevo Aeropuerto Internacional Felipe Angeles (AIFA). El módulo de rigidez obtenido del ensaye fue de 18,419.39 t/m3, que corresponde al 200% del valor de diseño.

En el diseño de Pilas o Columnas de Grava Compactada determinamos módulos de deformación que varían entre 65 MPa en suelos muy pobres y compresibles, hasta valores de 300 MPa en suelos firmes o profundos.

Las Columnas de Grava Compactadas son entre dos a nueve veces más resistentes que las columnas de grava tradicionales, con una mayor capacidad de carga y un mejor control de asentamientos tanto elásticos como por consolidación.

  1. Las Pilas de Grava Compactada no requieren del uso de líquidos bentoniticos, lechadas, aglutinantes, ni ningún otro aditivo, lo cual lo hace un proceso muy limpio y ordenado en cada obra. El tamaño de la cuadrilla de instalación varía según la tecnología, pero la máxima requiere de dos maquinarias y un cargador frontal; y la mínima de dos máquinas, con rendimientos óptimos de 200 ml por día de instalación.

Las Pilas de Grava Compactada pueden presentar tres mecanismos de falla:

 1) Compresión y reacomodo de la grava dentro de la misma pila;

2) Desplazamiento vertical hacia abajo cuando en la matriz de suelo supera el límite de resistencia al corte a lo largo del fuste de la pila; y

3) Compresión por la deformación de los suelos subyacentes bajo la pila de grava compactada.


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¿En qué tipos de suelos pueden emplearse las Columnas de Grava Compactada?

Las Pilas de Agregado Compactado mejoran suelos marginales ó de mala calidad, arcillas y limos blandos a firmes, arenas sueltas a medio densas, limos o arcillas orgánicas y turba, y rellenos heterogéneos sin control de compactación.

Geopier® ofrece tres tipos de tecnologías:

a) Pilas de Agregado Compactado que pueden ser por inclusión o por desplazamiento, (GP3®, Impact®, X1®)

b) Las inclusiones rígidas (GCC®)

c) Los sistemas especiales de cimentación.

En este sentido, podría clasificarse como una técnica de mejora de terreno, como lo son las columnas de gravas o compactación dinámica, no obstante, como ya se mencionó existen diferencias importantes en cuanto a funcionamiento y ejecución. En la figura 2, se ejemplifican la versatilidad de usos.

Por otra parte, la presión lateral provocada por la compactación supone una sobre-consolidación del suelo adyacente, esta característica puede, por ejemplo, mitigar el potencial de licuación de suelos en zonas sísmicas.

 

Figura 2. Usos y aplicaciones de sistemas Geopier®.

Conclusiones:

Las Pilas / Columnas de Grava Compactada son un sistema de reforzamiento de todo tipo de suelos, las profundidades de desplante son menores a las planteadas por otros sistemas; por lo que se les conoce como cimentaciones intermedias.

Las propiedades mecánicas de las Pilas de Grava Compactada superan a las medidas en los sistemas tradiciones; su instalación es rápida, según las condiciones de la obra se alcanzan rendimientos de hasta 200 ml para la tecnología GP3®.  

El resultado de la prueba de módulo realizada para nuestro proyecto actual, que son los terraplenes de acceso al nuevo Aeropuerto Internacional Felipe Angeles (AIFA) corresponde al 200% del valor de diseño, con lo cual verificamos la solidez de nuestra alternativa.

Característica Columna de grava Pila de agregado compactado Geopier
Durante la Construcción             
Formación de cavidad Vibroflot Perforación
Relleno Grava Grava
Profundidad de posible instalación Arriba de 100 pies Arriba de 30 pies
Diámetro de columna 2 a 5 ft (Barcksdale & Bachus 1983, p.13) 2 a 3  ft (Foxel and Cowell 1998)
Densificación de relleno Vibroflot Impacto con pisón patentado
Condición del sitio después de la construcción Si se emplea el método de la vía húmeda, el agua puede quedar estanca en la superficie del suelo (Barcksdale & Bachus 1983); o tener levantamiento del suelo (sin referencia) Los escombros de la perforación deben eliminarse (sin referencia)
Medición de los parámetros de diseño
Ángulo de fricción de la Columna In Situ 40 a 45 grados (Barcksdale & Bachus 1983, p.158) 48 a 52 grados (Fox and Cowell, 1998, White 2002)
Respuesta del suelo matriz a la construcción Remoldeo completo del suelo durante la instalación (Barcksdale & Bachus 1983, p.19); condiciones de presión lateral de la tierra aproximadamente representada por el coeficiente Ko ( Gaul, 2001, White et al 2002ª) Incremento de presión lateral de la tierra a aproximadamente a las condiciones del coeficiente Kp (Lawton and Merry 2000; White et al. 2000; Gaul 2001; White et al.2002; Handy et al. 2002)
Valor medio de SPT N- en columna 11 (Gaul 2001; White et al. 2002) 17 (Gaul 2001; White et al.2002)
Relación de concentración de esfuerzos 2 a 5  (Barcksdale & Bachus 1983, p.143) 4 a 45 grados (Lawton and Fox 1994; Lawton and merry 2000; Hoevelkamp 2002)
Módulo de elasticidad 600 ksf a 1200 ksf 3000 a4000 ksf (Wissmann et al. 2001)
Comportamiento In Situ
Diseño de prueba de módulo 100% a 150% de la resistencia al tope del elemento (Barksdale and Bachus 1983) 150% de la Resistencia al tope del elemento (Fox and Cowell 1998)
Mecanismo de Transferencia de carga Transferencia de carga (Barksdale and Bachus 1983) Flotante (Lawton and Fox 1994; Lawton et al 1994;
Mecanismo típico de falla Abultamiento (Barksdale and Bachus 1983) Abultamiento (Wissmann et al)
Efecto de capacidad de grupo. ‘—– La Capacidad del grupo > a la suma de las capacidades de las pilas invividuales (Hoevelkamp 2002)
Métodos de Diseño
Método para determinar el esfuerzo de “abultamiento” Teoría de la expansión de cavidades (Hughes and Withers 1974; Mitchell 1981; Barksdale and Bachus 1983) Teoría de expansión de cavidades de Pilas de Agregado Compactado (Hughes and Withers 1974; Mitchell 1981, Wissmann 2000)
Método para estimar la velocidad de asentamientos empleando drenaje radial Combinacion del flujo radial y vertical usando principios de esfuerzos. (Barksdale and Bachus 1983; Han and Ye 2001) Combinación de flujo radial y verticalusando la teoría de esfuerzoss principals. (Han and Ye 2011; Wissmann et al 2002; FitzPatrick and Wissmann 2002)
Método para calcular la magnitud de asentamientos Se basa en los métodos de equilibrio del elemento ( Barksdale and Bachus 1983, pp 42—46) Modelos de la zona superior y la zona inferior. La zona superior se basa en el modelos del equilibrio del element (Lawton and Fox 1994; Lawton et al 1994; Fox and Cowell, 1998; Wissmann et al 2000; Hoevelkamp 2002;  Wissmann et al 2002)
Métodos para el cálculo de capacidad de carga de un grupo de elementos. Basados en el modelo de Terzaghi “lower bound” triangular (Barksdale and Bachus 1983) Basados en el modelo de Terzaghi “lower bound” triangular con factor de corrección por forma ( Barksdale and Bachus 1983;  Wissmann et al 2002)
Tabla 1. Comparativas entre Columnas de Grava Compactada y columnas de grava tradicionales

Referencias Bibliográficas:

  1. Geopier-Tensar (2021). GROUND IMPROVEMENT HANDBOOK.Geopier® Foundation Company, Inc., Scottsdale, AZ.
  2. Héctor Valverde Reyes “PILAS DE GRAVA COMPACTADA, UN CASO PRÁCTICO”. Tesis UNAM. 2013.
  3. Fox, N.S. y M.J. Cowell (1998). Geopier® Foundation and Soil Reinforcement Manual, Geopier Foundation Company, Inc., Scottsdale,
  4. David J. White, Aaron Gaul, and Kenneth Hoevelkamp (2003)HIGHWAY APPLICATIONS FOR RAMMED AGGREGATE PIERS IN IOWA SOILS. IOWA DEPARTMENT OF TRANSPORTATION APRIL 2003.


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MONITOREO-ESTRUCTURAL

Monitoreo de la salud estructural de una planta de Cemento en la Huasteca Potosina.

Sistema inteligente de monitoreo estructural Terzaghi®  

By Héctor de la Fuente & Héctor Jiménez.

Todas las construcciones y obras tienen un periodo de vida útil de diseño, típicamente la normatividad establece un periodo de 50 años. Transcurrido este tiempo, se requiere realizar una evaluación de la salud estructural, para determinar si la estructura cumple con los requisitos de seguridad para los que fueron diseñados; sin embargo, esta evaluación es puntual, por lo que es importante combinarla con un sistema inteligente de monitoreo, integrado por diferentes tipos de sensores, que nos proporcionen datos sobre el comportamiento estructural de la edificación.

Las fallas más comunes en estructuras metálicas pueden ocurrir principalmente por pandeo de las vigas y armaduras. Por lo que es vital conocer en tiempo real las deformaciones que sufren éstos elementos.

En este caso de éxito empleamos el sistema inteligente de monitoreo estructural Terzaghi®, que maneja una tasa de muestreo inalámbrico, el cual permite la lectura automática y en tiempo real de los indicadores de deformación las 24 horas del día, los 365 días del año. También podemos definir alarmas que “avisan” con tiempo suficiente si algún elemento tiene un comportamiento no adecuado, minimizando el riesgo de pérdidas humanas. Este sistema de monitoreo inteligente de salud estructural Terzaghi® forma parte de la cultura de la prevención de desastres.

En este blog narramos como nuestro monitoreo Terzaghi®, colabora en la toma de decisiones estructurales estratégicas que previenen fallas catastróficas, para una planta cementera en la Huasteca Potosina, la cual cuenta con más de 50 años de operatividad.

Condiciones estructurales.

La  nave cuenta con dimensiones de 23m de ancho y 100m de longitud, equipada con dos grúas viajeras en su interior que están soportadas por una superestructura de concreto reforzado; la  techumbre es a base de estructura de acero y laminas.

El objetivo a monitorear es la cubierta del patio de materiales, siendo esta uno de los elementos más vulnerables de la instalación, debido a la gran cantidad de sedimentos que se depositan en ellas, la exposición constante a las vibraciones generadas por las grúas, acciones accidentales y su propia edad.

 

Figura 1 Sedimentos acumulados sobre los elementos estructurales.

Instalación de la instrumentación.

La instrumentación actual consta de seis Tiltmeters biaxiales (inclinómetros) y una Gateway (receptor de datos) de la marca Loadsensing®. Los Tilmeters se colocaron en los puntos estratégicos de las armaduras del techo, siendo este el objetivo a monitorear ver Figura 2 y 3; la Gateway se instaló a una distancia aproximada de 80 m sobre el cuarto de trituración, para que este recopile las lecturas que los Tilmeter envían inalámbricamente mediante tecnología LoRa (Radio de largo alcance). Esta información es reunida en la Gateway, que se encarga de subirla a la “Nube” donde la información es representada en una forma legible, como se observan en las (Figura 4). El procedimiento de instalación se llevó a cabo en un tiempo de 3 días efectivos, sin interrupciones en la producción de la planta.

 

Figura 2 Localización de los Tiltmeters.

 

Figura 3 Instalación de Tilmeter.

 

Figura 4 Gateway instalada sobre el cuarto de trituración.


Evita fallas y perdidas catástroficas


Visualización y monitoreo.

La tecnología Terzaghi® permite ver en tiempo real y registrar el comportamiento de la estructura, el cual podemos visualizar de la manera muy sencilla en gráficos mediante el uso de una interfaz de visualización muy amigable para el usuario (Figura 5).

En dicha interfaz se visualizan los datos que proporciona cada sensor, estos en tres diferentes formas: “vista en tiempo real” en la cual podemos ver el lugar donde se colocó el sensor sobre una imagen representativa de las infraestructura, así como el valor que hasta el momento tenga cada sensor (Figura 6).”Mapa del sitio” esta es una visualización satelital del sitio donde se pueden observar el lugar donde fueron colocados los sensores con sus respectivas coordenadas (Figura 7.”Dashboard o tablero de instrumentos” en esta opción podemos ver de forma gráfica el comportamiento de la estructura respecto al tiempo trascurrido desde su instalación, entre otros datos como el estado de salud del sensor y la temperatura ambiente del sitio (Figura 8). Otro punto muy importante es que el usuario puede definir un umbral el cual nos permite activar una alarma; en caso de que este sea rebasado se activaría notificando a las personas interesadas por medio de mensajes SMS y correos electrónicos haciendo un recordatoria cada intervalo de tiempo (definido por el usuario) hasta que la alerta sea atendida.

 

Figura 5 Página de inicio de sección de la interfaz.

 

Figura 6 Visualización en tiempo real.

 

Figura 7 Mapa del sitio.

 

Figura 8 Dashboard (Tablero de instrumentos).

Conclusiones

La cultura de prevención es fundamental para salvaguardar la integridad física del ser humano por lo que la relación costo-beneficio esta por encima de otros sistemas de monitoreo llegando a tener hasta un 70% de ahorro.

El sistema Terzaghi® ofrece un monitoreo en tiempo real las 24 hrs, el cual nos ayuda a prevenir de una catástrofe dando avisos de algún comportamiento inusual en las estructuras mediante alarmas, también permite al usurario acceder a las métricas en todo momento en cualquier dispositivo electrónico; detecta la ubicación exacta de cada sensor, su lectura en tiempo real y su historial.

Este es un sistema que permite acceso a cualquier tipo de obra de forma remota, lo que elimina la complejidad de traslados a sitio de obra, cubre grandes extensiones, no requiere de caleado. 

Referencias

NTCC, RCDF. (2017). Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal


Evita fallas y perdidas catástroficas


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Columnas o Pilas de Grava Compactada como la mejor opción costo-beneficio para construir cimentaciones junto a edificios históricos.

Descubre cómo la tecnología GP3® de Geopier permitió la construcción de un edificio departamental de 6 niveles junto a un Edificio Histórico en la Ciudad de Guadalajara Jalisco.

By Héctor de la Fuente & Mayra Nolasco

El crecimiento urbano en las ciudades conlleva a un aumento en las actividades constructivas. Las vibraciones producidas durante la construcción incomodan a personas o pueden causar daños estructurales a edificaciones aledañas, que van desde pequeñas fisuras hasta colapsos.

El mejoramiento del terreno a base de Columnas/Pilas de Grava Compactada, con la tecnología GP3® de Geopier®, garantiza que las estructuras aledañas no sufrirán daños debido a que su instalación genera vibraciones de alta frecuencia.

Esta alternativa cuenta con un proceso constructivo mucho más limpio y rápido que una cimentación profunda o cualquier otro método de mejoramiento de suelos, disminuyendo considerablemente las molestias que se puedan ocasionar a los vecinos, incluso en áreas de trabajo limitadas.

En este blog, se presenta un caso de éxito donde se construyó un edificio de 6 niveles justo a un costado de una iglesia del siglo XX, sin ocasionar daño alguno a la estructura ni molestias a los vecinos.

Condiciones estratigráficas y alternativa de cimentación convencional.

El subsuelo en el sitio de estudio está conformado principalmente por arena limosa en estado suelto hasta 8.0 metros de profundidad y, por debajo de ese nivel, se tiene arena limosa compacta; asimismo, hay presencia de nivel freático a -4.0 m con respecto al nivel de terreno natural.

De acuerdo con las descargas estructurales del edificio (100-250 t), al igual que con los análisis de capacidad de carga y de asentamientos, la cimentación del edificio debía transmitir las cargas hasta el estrato de arena limosa compacta, por lo que se diseñaron pilas de cimentación de diámetros variables entre 0.8 y 1.2 m, desplantadas de 9.0 a 13.0 m de profundidad.

 

Propuesta de cimentación para las condiciones del subsuelo en el sitio de estudio

Mejoramiento del terreno mediante la instalación de Columnas de Agregado Compactado

Con el sistema GP3® de Geopier® para la instalación de Pilas de Grava Compactada se redujo la profundidad de desplante de la cimentación hasta -1.5 m con asentamientos totales teóricos que están dentro del rango permisible, mejorando las propiedades de la arena limosa suelta hasta -5.5 m. En total se proyectó la construcción de 72 elementos de 4.0 m de longitud.

 

Propuesta de cimentación empleando un mejoramiento de suelos mediante Pilas de Grava Compactada Geopier® GP3®

El mejoramiento de suelos con Columnas/Pilas de Grava Compactada con el sistema Geopier® incrementa la capacidad de carga del suelo a nivel de desplante de las zapatas debido a su rigidez; además, el proceso de compactación de la grava que conforma las columnas/pilas implica un desplazamiento lateral del suelo circundante, disminuyendo su relación de vacíos y aumentando el esfuerzo horizontal.


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Retos constructivos

Área de trabajo reducida

El mejoramiento del terreno con Columnas o Pilas de Grava Compactada fue la mejor opción para este proyecto de 6 niveles, ya que la cuadrilla de construcción de la tecnología GP3® la conforman sólo cuatro personas y tres máquinas. A pesar de que las dimensiones del predio son de 18.0 x 50.0 m, no se tuvieron inconvenientes durante la ejecución de las actividades.

 

Ejecución de la perforación del suelo y apisonado de la grava que conforma las Pilas de Grava Compactada Geopier®

El rendimiento en la construcción de Columnas/Pilas de Grava Compactada con la tecnología Geopier® GP3® es de 200 metros lineales diarios en condiciones óptimas, de tal forma que el tiempo de construcción de la cimentación se reduce significativamente comparada con pilas, pilotes u otros tipos de mejoramiento de suelos como el suelo cemento o la excavación y reemplazo; consecuentemente, los costos del proyecto también se ven reducidos. Otra ventaja es que no requiere el uso de fluidos de perforación, lo que lo hace un sistema limpio. Para este caso de éxito, la instalación de las pilas de grava compactada se realizó en 4 días.

Colindancias

Una de las estructuras que colinda con el predio es una iglesia del siglo XX, situación que representaba gran preocupación, ya que las vibraciones producidas por procedimientos constructivos de cimentaciones profundas, como el hincado de pilotes usando martillos de caída libre, pueden causar daños significativos a estructuras colindantes.

Apisonado de las capas de grava durante la construcción de las Pilas de Agregado Compactado Geopier® GP3®

Pese a que la tecnología Geopier® GP3® genera vibraciones producto del apisonado del material granular que conforma la Columna/Pila de Grava Compactada, las frecuencias dominantes de dichas vibraciones oscilan entre 30 y 40 Hz mientras que, para el hincado de pilotes a percusión, las frecuencias dominantes se encuentran entre 10 y 15 Hz, mismas que tienen más probabilidad de generar daños a las estructuras por sus largos periodos de vibración. Todo lo anterior nos convierte una gran opción para este tipo de situaciones.

 

Velocidades pico de partícula, en función de la frecuencia de vibración, producidas por el hincado de pilotes con martillo de caída libre (modificado de Brzakala & Baca, 2017);

 

b) Velocidades pico de partícula, en función de la frecuencia de vibración, producidas por la instalación de Pilas de Grava Compactada Geopier® GP3® (modificado de Fiegel & Farrell, 2008)

Conclusiones

Después de la construcción de este proyecto, el edificio colindante no sufrió ningún daño. El tiempo de ejecución total fue de 4 días. Se instalaron 72 Columnas/Pilas de Grava Compactada de 4.0 m de longitud con la tecnología GP3® de Geopier®. Después del mejoramiento del terreno se desplantaron zapatas a 1.5 m de profundidad, obteniéndose un ahorro cercano al 64% del presupuesto inicial de la cimentación comparada con la construcción de pilas.

En SOILSOLUTION reducimos el drama en la construcción.

Referencias

Brzakala, W., & Baca, M. (2017). The measurement and control of building vibrations in course of sheet pile wall and franki pile driving. 17th International Multidisciplinary Scientific GeoConference (SGEM), (págs. 929-936). Vienna, Austria.

Fiegel, G., & Farrell, T. (2008). Measurement of vibration and noise during the instalation of rammed aggregate piers. 6th International Converence on Case Histories in Geotechnical Egineering, (págs. 11-16). Arlington, VA.

Wissmann, K., FitzPatrick, B., & White, D. Vibration and noise levels. Technical Bulletin No. 9. Geopier®.


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Columnas o Pilas de Grava Compactada como alternativa para la reducción de asentamientos por consolidación

Además de aumentar la rigidez del suelo, las Pilas o Columnas de Grava Compactada pueden disminuir y acelerar el proceso de consolidación de las arcillas blandas

Héctor de la Fuente & Geovani García

INTRODUCCIÓN

Cuando se proyectan grandes obras como edificios o plataformas industriales sobre estratos superficiales de arcilla, turba o materia orgánica de consistencia muy blanda y con un contenido de agua elevado, es de esperarse grandes asentamientos debido al fenómeno de consolidación, las cuales pueden tardar desde meses hasta años para presentarse de manera completa. Ocasionando grandes dificultades y contratiempos en los procesos constructivos para la cimentación de infraestructura.

En estas condiciones normalmente se suele recurrir a soluciones de cimentación profunda, como pilas o pilotes, para poder atravesar los estratos compresibles y desplantar la cimentación en un estrato duro y con ello evitar grandes asentamientos. Sin embargo, esta solución no siempre es la más económica cuando se trata de proyectos cuya construcción abarca extensas áreas. En estos casos, lo ideal es hacer un mejoramiento masivo del suelo tales como la construcción de columnas o pilas de grava compactada, compactación dinámica o la técnica de la precarga.

En este blog, se describe la metodología y los resultados de asentamientos que se pueden obtener mediante el uso de Pilas o Columnas de Grava Compactada en suelos blandos saturados combinadas con la técnica de la precarga.

¿EN QUÉ CONSISTE LA TÉCNICA DE LA PRECARGA?

En este sentido, la técnica de la precarga consiste en provocar el fenómeno de consolidación del suelo antes de construir la estructura de proyecto mediante la colocación de una carga cuya magnitud en peso sea igual o mayor a la que se pretende desplantar; es decir, se busca que el esfuerzo de preconsolidación sea mayor al generado por el peso de la nueva estructura. Cuando el proceso de consolidación del suelo termina, la precarga es retirada y la estructura proyectada puede comenzar a ser construida sin esperar deformaciones excesivas. Normalmente, la precarga es un terraplén de material térreo (arena, limo o arcilla).

El factor clave para determinar el tiempo de duración de la precarga para acelerar el proceso de consolidación es la permeabilidad y la longitud de drenaje del estrato fino compresible y la premura de construcción del proyecto.

¿CÓMO LAS PILAS DE GRAVA COMPACTADA PUEDEN DISMINUIR Y ACELERAR EL TIEMPO DE CONSOLIDACIÓN?

Cuando el tiempo es demasiado largo y/o la sobrecarga muy alta, el proceso puede ser optimizado mediante el uso de Pilas de Grava Compactada que se instalan a partir del nivel de desplante del terraplén de precarga. De acuerdo a la experiencia con varios proyectos realizados en varios países de América, las Columnas de Grava Compactada con el sistema Geopier han permitido disminuir el tiempo requerido para la consolidación hasta en un 80%

Las Columnas o Pilas de Grava Compactada son un sistema de mejoramiento de suelos a base de elementos rígidos construidos con grava triturada de aproximadamente ¾” a 1 ½” construidas con el método de vibro compactación para refuerzo de los suelos cohesivos compresibles en los cuales proveen una reducción en la duración y magnitud de los asentamientos por consolidación mediante dos efectos:

  • DRENAJE RADIAL: Las Columnas de Grava Compactada actúan como elementos de drenaje, debido al material que las conforma, Figura 1. La incorporación de drenaje radial reduce las longitudes de las trayectorias de drenaje, reduciendo así el tiempo de ocurrencia de los asentamientos.

 

Figura 1. Efecto de Drenaje Radial hacia las Pilas de Grava Compactada

Los métodos de diseño para drenaje radial se basan en las metodologías descritas en NAVFAC (1986), y Han & Ye (2001). Las Columnas de Grava Compactada se pueden instalar para proveer una reducción en la duración de los asentamientos de estratos compresibles de las siguientes maneras:

  1. Las Pilas de Grava Compactada actúan como elementos de drenaje, cuando se construyen usando grava limpia relativamente uniforme. La incorporación de drenaje radial reduce las longitudes de las trayectorias de drenaje, reduciendo así el tiempo de ocurrencia de los asentamientos.
  2. La concentración de esfuerzos en las Columnas de Grava Compactada rígidas reduce la cantidad de presión en la matriz de suelo, lo cual se traduce en una reducción de asentamientos entre pilas (Han & Ye 2001). Un coeficiente de consolidación radial modificado se puede incorporar en los cálculos de drenaje radial para tomar en cuenta la concentración de esfuerzos en la velocidad de drenaje.

El drenaje radial hacia las columnas de grava compactada se calcula mediante la metodología desarrollada por Barron (1948), en la cual la duración del asentamiento (t) se estima en función del factor de tiempo (Tr), el coeficiente radial de consolidación (Cr) y la longitud efectiva de drenaje (de) de acuerdo con la siguiente ecuación:

𝑡 = 𝑇𝑟𝑑𝑒2 / 𝐶𝑟

La longitud efectiva de drenaje (de) se calcula en función al espaciamiento centro a centro entre las columnas de grava compactadas (o drenes). El factor tiempo (Tr) se obtiene de la Figura 2, a partir de la relación n calculada tomando la razón de la longitud efectiva de drenaje (de) y el diámetro de la columna de grava construida (dw).

 

Figura 2– Grado de Consolidación por Drenaje Radial (NAVFAC, 1986).

La curva mostrada en la figura 2 aplica para el caso de las Pilas o Columnas de Grava Compactada usadas en el proyecto en referencia como medio de reforzamiento del subsuelo, aunque en dicha figura se haga alusión a drenes de arena. El esquema presentado debe ser considerado como ilustrativo, ya que es utilizado para mostrar el concepto del drenaje radial hacia los elementos de mejoramiento de suelos, el cual se hace extensivo a las Columnas de Grava Compactada, y que conservadoramente usamos teniendo en cuenta que las Pilas de Grava permiten drenar el agua con mayor rapidez que los drenes de arena, debido al material que las conforma. Como se mencionó antes, el efecto del drenaje radial hacia las Columnas de Grava Compactada se estima haciendo uso de la metodología propuesta por Barrón (1948) para drenes de arena, la cual sigue siendo usada por otros autores (Han & Ye, 2001) para evaluar el drenaje radial en suelos reforzados con columnas de grava.

  • DENSIFICACIÓN: Las Columnas o Pilas de Grava Compactada son construidas utilizando métodos de desplazamiento y de vibro compactación de alta energía, ocasionando una densificación lateral en el suelo generando un aumento en los esfuerzos de confinamiento y dando como resultado un suelo con propiedades de compresibilidad mejoradas, Figura. 3.

 

Figura 3. Aumento de la presión de pre-consolidación con el aumento del esfuerzo de confinamiento horizontal


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CASO DE ÉXITO EN TABASCO – MÉXICO

En el 2020 SOILSOLUTION realizó un mejoramiento de suelos para el área de almacén de un Centro de Distribución Industrial con dimensiones de 170 m x 340 m, aproximadamente. La ubicación del proyecto se encuentra en el municipio de Cunduacán, Tabasco, en el cual se identificó la siguiente estratigrafía: de 0 a 10 m de profundidad, arcilla arenosa de consistencia blanda con intercalaciones de arena limosa/arcillosa de compacidad suelta; de 10 a 15 m de profundidad. El nivel freático se encontró entre 0.3 y 1.9 m de profundidad. Debido a las condiciones del terreno, se planteó y ejecutó una solución de cimentación a base de precarga y Pilas de Grava Compactada mediante el sistema IMPACT de Geopier Foundation Company, esto debido al gran tamaño del proyecto, al exceso de asentamientos y tiempo por consolidación, y al tiempo ajustado del programa de obra de la partida de cimentación.

Para condiciones Insitu (Sin mejoramiento) se presentan deformaciones verticales del orden de 65 cm, las cuales se presentarán en un periodo de tiempo de 550 días (18 meses).

Como propuesta de solución se determinó un terraplén de precarga de 3.1 m de altura para ejercer una presión de 4 ton/m2 según su peso volumétrico seco suelto considerado de 1.3 t/m3. El cual combinado con el refuerzo mediante Pilas de Grava Compactada de 12 m de profundidad y 2m de separación centro a centro, solo tardaría un tiempo de 3 meses para alcanzar el 90 % de consolidación y se tendría un aproximado de 23 cm. Así mismo, el asentamiento después de la construcción de la estructura proyectada sería de 6 cm.

 

Figura 4 Esquema de la solución.

 

Figura 5 Resultado de los análisis de asentamientos.

Para llevar a cabo el control de asentamientos, se instaló una estación piezométrica al centro del terraplén y placas de asentamiento distribuidas estratégicamente a lo largo del terraplén de precarga (Figura 9 y 10), para verificar el tiempo de consolidación al 90 % y su magnitud, respectivamente.

En la Figura 6 se aprecia un esquema de la distribución de los tres piezómetros tipo Casagrande instalados al centro del terraplén de precarga y en la Figura 6 las lecturas del monitoreo de cada piezómetro. En la Figura 11 se muestran los resultados obtenidos de monitoreo de las placas de asiento.

En general, se concluye lo siguiente:

  • Las curvas piezométricas empiezan a tener un comportamiento asintótico a partir de los 3 meses;
  • De acuerdo a lo medido en campo con las placas de asiento, se obtuvo un asentamiento promedio de 23.5 cm, el cual es muy similar al determinado en el diseño geotécnico realizado por los ingenieros de SOILSOLUTION.
  • De lo anterior hay que resaltar que la precisión de los resultados fue gracias a la combinación entre la campaña de exploración geotécnica que permitió caracterizar el predio adecuadamente más la teoría detrás de los diseños con los sistemas Geopier
  • El sistema de precarga combinado con Pilas de Grava Compactada con los sistemas Geopier permitió generar ahorros en la cimentación debido a la reducción del tiempo de precarga y al evitar el uso de otra técnica de solución costosa como pilas o pilotes. De acuerdo con un análisis técnico-económico, se obtuvo un ahorro del 40 % en la partida de cimentación comparado con una solución a base de pilotes.
  • El factor determinante para decidir por una solución u otra comúnmente es el tiempo del cual se dispone para ejecutar la obra ya que en ocasiones las necesidades de inversión no permiten esperar el tiempo suficiente para alcanzar el 90% de la consolidación requerida con el método de la precarga. En estos casos, es necesario recurrir a un proceso de aceleración de la consolidación que complemente a la técnica de precargar el suelo, tales como el uso de Pilas o Columnas de Grava Compactada con el sistema Geopier.

 

Figura 6 Esquema de distribución de la estación piezométrica.

 

Figura 7 Toma de lecturas en campo.

 

Figura 8 Lecturas de piezómetros semanalmente.

 

Figura 9 Esquema de distribución de las placas de asentamiento

 

Figura 10 Consideraciones para la fabricación de placas de asentamiento.

 

Figura 11 Monitoreo de asentamiento del terraplén de precarga mediante placas de asentamiento.

REFERENCIAS

Barron, R.A. (1948). “Consolidation of Fine-Grained Soils by Drain Wells.” Trans. ASCE, Vol. 113, pp. 718-742.

Fox, N.S. and Cowell, M.J. (1998). “Geopier Soil Reinforcement Manual.” Geopier Foundation Company, Inc., Blacksburg, Virginia.

Grupo SCI, SA de CV (Junio, 2017). “Reporte de Geotecnia (Mecánica de Suelos) para la Construcción de Centro de Distribución de Perecederos Walmart”, Cunduacán, Tabasco.

Han, J. Ye, (2001), S.L. Simplified Method for Consolidation Rate of Stone Column Reinforced Foundations. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. Vol. 127, No.7; ASCE; July 2001. p. 597-603.

Lawton, E.C., Fox, N. S., and Handy, R. L. (1994). “Control of settlement and uplift of structures using short aggregate piers.” In-situ Deep Soil Improvement, Geotechnical Special Publication No. 45, American Society of Civil Engineers, 121-132.

NAVFAC (1986) “Soil Mechanics Design Manual 7.01” Naval Facilities Engineering Command, Alexandria, Virginia.

Geopier Foundation Company (2016). Technical Bulletin No. 6 – Settlement Control for Embankments and Transportation Related Structures Using Geopier® Soil Reinforcement


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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.

sistemas de monitoreo terzaghi

 

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.

instalación celda de carga monitoreo infraestructuras

 

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).


Evita fallas y perdidas catástroficas


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.

data logger loeadsensing

 

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 CARGA De cuerda vibrante 5 canales $$$ De cuerda vibrante 1 canal $$ Analógicos 4 canales   $$$ Piconodo     $ Digital     $$$
De cuerda vibrante (VW) de 3 a 5 sensores 1
Medidores de deformación con configuración de puente Wheatstone completa 4  
Hidráulico con transductor de presión. Salida de 4 a 20 mA. 4  
Hidráulico con transductor de presión. Salida de cuerda vibrante. 5 1
Hidráulico con transductor de presión compatible con Piconode. 4 1
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 lecturas 1 batería 2 baterías
Cada 5 minutos 1 año 2 años
Cada hora 5.1 años 10 años
Cada 6 horas 6.9 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
Condición ANTENA 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 vision 15 km / 9.3 millas 10 km / 6.2 millas
En áreas urbanas 4 km / 2.5 millas 2 km / 1.2 millas
Dataloggers en registros 2 km / 1.2 millas 1 km / 0.6 millas
Dataloggers y Gateway dentro de túneles 4 km / 2.5 millas 2 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.


Evita fallas y perdidas catástroficas


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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.

 


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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.


Evita fallas y perdidas catástroficas


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

 


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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.

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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.


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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.


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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.