T_Instrumentación - Universidad del Cauca
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PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.i CAPITULO 8 INSTRUMENTACIÓN DE PUENTES 8 INSTRUMENTACIÓN DE PUENTES........................................................................................... 8.1 8.1 Tipos de instrumentación ....................................................................................................... 8.1 8.2 Factores a considerar para selección de la instrumentación............................................... 8.2 8.3 Instrumentación fija ............................................................................................................... 8.3 8.3.1 Tipos de instrumentación fija ............................................................................................... 8.4 8.3.1.1 Barras de sondeo .......................................................................................................... 8.4 8.3.1.2 Barras enterradas con indicadores físicos .................................................................... 8.5 8.3.1.3 Otro tipo instrumentos fijos y enterrados................................................................... 8.11 8.3.1.4 Equipos acústicos o sonares....................................................................................... 8.15 8.4 Instrumentación portátil ...................................................................................................... 8.18 8.4.1 Tipos de instrumentación portátil ....................................................................................... 8.19 8.4.1.1 Barras de sondeo ........................................................................................................ 8.19 8.4.1.2 Sonares....................................................................................................................... 8.19 8.4.1.3 Instrumentos geofísicos ............................................................................................. 8.26 8.5 Costo de la instrumentación................................................................................................. 8.29 8.6 Recientes desarrollos en instrumentación........................................................................... 8.30 8.6.1 Time Domain Reflectometry (TDR)................................................................................... 8.30 8.6.2 Test de vibración por impacto (TVI) .................................................................................. 8.34 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 8.1 a) Esquema de una barra de sondo. b) Barra de sondeo instalada en un puente y sepultada por sedimentos. Río Javi-gawa. Japón.............................................................................................................. 8.5 Figura 8.2 Esquema de instalación de una barra con collar de sondeo. ..................................................... 8.5 Figura 8.3 Sonda Magnética. Chavarro E. 1994. ....................................................................................... 8.7 Figura 8.4 Indicador físico. Melville B. W., (1982)................................................................................... 8.9 Figura 8.5 Instalación de la barra de sondeo a una pila. Melville B. W., (1982). .................................... 8.10 Figura 8.6 a ) Barra de sondeo tipo scuba mouse. Instalación de la barra de sondeo a una pila. .......... 8.10 Figura 8.7 Sensores de conductividad. Federal Highway Administration. (1995)................................... 8.11 Figura 8.8 Perfiles de temperatura a lo largo de la interfase suelo-agua.Camp, Ch. V. Pezeshk,S., and Leatherwood T. D., 1998. ........................................................................................................................ 8.12 Figura 8.9 Sensores electromecánicos. a) Aguas bajas, sensores enterrados. b) Aguas altas, sensores expuestos al flujo. Federal Highway Administration. (1995). ................................................................. 8.13 Figura 8.10 Radio transmisores sensibles al movimiento. ....................................................................... 8.13 Figura 8.11 Cadenas de socavación. ........................................................................................................ 8.14 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.ii Figura 8.12 Esquema de instalación típica de un sonar............................................................................ 8.16 Figura 8.13Transductor de sonar. Federal Highway Administration. (1995). ......................................... 8.16 Figura 8.14 Instalación típica de un sonar desde un puente. PWRI. ........................................................ 8.17 Figura 8.15 Bote equipado con sonar....................................................................................................... 8.20 Figura 8.16 Costos de instrumentación en dólares. Avila C., Jaques, S. and Davies, p. (1998). ............. 8.29 Figura 8.17 Ondas producto de discontinuidades en un cable. ................................................................ 8.30 Figura 8.18 Vista exterior de un equipo de TDR. Instrumentos RiserBond. ........................................... 8.32 Figura 8.19 Medición del desplazamiento de una zapata por TDR.......................................................... 8.33 Figura 8.20 Diseño preliminar usando TDR para medir socavación local durante crecientes................ 8.33 Figura 8.21 Deformación típica de la cimentación................................................................................... 8.34 Figura 8.22 Prueba de campo del test de vibración por impacto.............................................................. 8.35 Figura 8.23 Vista exterior del equipo para prueba de vibración por impacto. ......................................... 8.35 Figura 8.24 Test de vibración por impacto. Nishimura A. and Haya H................................................... 8.36 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 8.1 Ventajas y limitaciones de algunos instrumentos geofísicos. D. Mueller reporta de Gorin y Haeni, 1989 y Crumrine, 1991. ................................................................................................................ 8.28 Tabla 8.2 Costos de instrumentación en dólares. Federal Highway Administration, 1995...................... 8.29 Tabla 8.3 Significado de los índices de seguridad. Nishimura A. and Haya H........................................ 8.37 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.1 8 INSTRUMENTACIÓN DE PUENTES La instrumentación de puentes con énfasis en socavación busca determinar el perfil del lecho del cauce y huecos producidos durante crecientes. No hace más seguros o mejores los puentes pero su uso permite detectar fallas a tiempo y prevenir futuros problemas. El entendimiento del proceso de la socavación y su detección oportuna es la mejor protección que se puede brindar a puentes existentes. Sin embargo, la medición y el monitoreo de la socavación durante crecientes se dificulta y pueden ser actividades peligrosas por los altos tirantes, turbulencia y velocidades del agua, excesiva turbidez y presencia de materia flotante. Debido a las condiciones adversas del flujo alrededor de las pilas y estribos del puente, existen pocos instrumentos y técnicas para medir socavación, y además, no hay generalmente, programas rutinarios para su medición o monitoreo. Es importante decidir sobre donde y cuando debe usarse instrumentación y determinar el equipo más conveniente pues no hay un solo instrumento que sirva para todos los casos encontrados en la naturaleza. El contar con equipo moderno y preciso que mida y recoja la información es importante, pero no lo es más que el contar con personal que analice e interprete los resultados y decida sobre la situación de una estructura. La instrumentación de puentes ha cobrado gran importancia recientemente en algunos países interesados en garantizar la estabilidad de estructuras ya construidas, especialmente para casos en que las reparaciones resultan muy costosas y complicadas. Muchas posibilidades de instrumentación se han ensayado en la práctica y otras muchas se han propuesto en teoría, no habiendo todavía unanimidad sobre cual es el equipo mas conveniente técnica y económicamente. En países como Colombia resulta prioritario invertir en mantenimiento y reparación de estructuras existentes y en construcción de nuevas estructuras, antes que iniciar un programa de instrumentación que resultaría muy costoso. Sin embargo, este tema tendría que empezar a considerarse en un mediano plazo. 8.1 Tipos de instrumentación Siempre es útil tomar información sobre el estado real del lecho del cauce y del puente con instrumentación fija o portátil. Esto ayudaría en gran medida a correlacionar parámetros hidráulicos con la posición del lecho, calibrar mejor los métodos de cálculo de las profundidades de socavación y determinar con mayor certeza el peligro real de un puente frente a crecientes del río. En la práctica, puede hablarse de los siguientes tipos de instrumentación: 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.2 • Hidráulica: determinación de parámetros hidráulicos como niveles del agua, secciones transversales del cauce, velocidades, caudales, sedimentos, tamaño de los huecos de socavación. Este tipo de mediciones debe hacerse durante crecientes cuando el puente está en mayor peligro de falla, pero también es cuando resulta de mas riesgo para la vida humana y los equipos y de ahí la dificultad en su realización. • Estructural: determinación del tamaño, forma y localización de las fallas dentro del cuerpo de la estructura. Adicionalmente, debe investigarse la causa de la falla, ya sea por socavación, asentamiento, sobrecargas, deterioro de los materiales, movimientos sísmicos, diseño, construcción. • Post creciente: se basa en el uso de equipos de tipo geofísico para identificar huecos de socavación después de pasada la creciente. • Tiempo real: mide el proceso al momento de su ocurrencia permitiendo correlacionar hidrograma de creciente con la socavación por lo que es preferible a la instrumentación post creciente. • Fija: la instrumentación permanece instalada en la estructura. Se usa cuando se requiere información de manera sistemática y/o en forma regular (semanal, diaria, continua). Usualmente solo recoge datos de un punto, pila o estribo y no necesariamente del sitio donde la socavación realmente ocurre. Suele ir acompañada de un sistema de captura y registro de la información. • Portátil: la instrumentación se mueve de un lugar a otro de la estructura o de un puente a otro por lo que puede resultar más económica que la fija para hacer monitoreo, pero no ofrece información continua. El enfoque dado al tema en este capítulo se basa en diferentes posibilidades de instrumentación de puentes con énfasis en socavación según desarrollos realizados especialmente en Estados Unidos y Japón. Muchos de los instrumentos que se van a mencionar están todavía en proceso de experimentación, resultado algunos de ellos mas prometedores que otros para aplicaciones prácticas, Guevara A., M. E. (1998). 8.2 Factores a considerar para selección de la instrumentación Usualmente resulta difícil decidir sobre la conveniencia o no de un programa de instrumentación y sobre el equipo más adecuado por lo que a continuación se dan algunos factores a tener en cuenta para su selección. • Características del sitio y del puente (tipo de suelo, características del agua, altura del puente hasta la superficie del agua y hasta el lecho del río, profundidad del agua y velocidad). • Posibilidad de instalación en muchos puentes, en puentes ya construidos, en puentes en construcción y en la proximidad de pilas y estribos. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.3 • Necesidad de hacer lecturas desde la superficie del agua o a control remoto. • Exigencia de entrenamiento especializado para operar los equipos o para inspecciones bajo agua. • Operabilidad en un rango amplio de condiciones climáticas incluyendo tormentas, caudales de creciente, alto transporte de sedimentos, impacto de hielo o basuras. • Precisión requerida en la medición dentro de unos límites preestablecidos (±0.6 m). • Seguridad y nivel de desarrollo de la tecnología a usar. • Costos de la instrumentación. • Costos de mantenimiento, reposición, prevención de vandalismo. 8.3 Instrumentación fija Consiste en la colocación de equipos que permanecen fijos en el puente para detectar los niveles de socavación. Se usa cuando se requieren mediciones frecuentes o regulares, caso en el cual debe usarse también un sistema de registro. El costo inicial es mayor que para instrumentación portátil pero los costos de operación pueden ser menores. Debido a la amplia variedad de geometrías de pilas y estribos, y a la variabilidad de la geometría de los cauces, de las condiciones del flujo, materiales del lecho y otras características del cruce del puente, no hay un tipo de instrumentación fija que pueda ser usado para todos los casos. Por el contrario, existe la necesidad de tener variedad de instrumentos fijos que permitan suplir las necesidades impuestas por los muchos cambios en las condiciones del puente y el río. • Ventajas de la instrumentación fija • Permite el monitoreo continuo de un sitio. • No requiere entrenamiento muy especializado de los operarios. • Facilidad en el uso del equipo y la recolección de información. • Bajo costo de operación una vez instalada. • Limitaciones de la instrumentación fija • La máxima profundidad de socavación no ocurre necesariamente en el sitio donde el instrumento está instalado debido a cambios en la corriente. • Mantenimiento difícil del equipo expuesto a condiciones ambientales adversas. • Pérdida del equipo debido a vandalismo, crecientes, acumulación de sedimentos, etc. • Necesidad de un plan de contingencia en caso de que el equipo falle o se pierda. • No se puede instalar en todos los puentes. • Información errada si se registra el nivel de la acumulación de sedimentos y no el lecho del cauce. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.3.1 8.4 Tipos de instrumentación fija Tipos comunes de instrumentación fija incluyen barras de sondeo, barras enterradas con indicadores físicos y sonares. 8.3.1.1 Barras de sondeo Miden la elevación de una pata que se posa sobre la superficie del sedimento. La pata va pegada a la parte inferior de una barra que desciende por el interior de una guía o poste fijo al puente a medida que la socavación del lecho se produce. La barra debe enterrarse por debajo de la profundidad máxima esperada de socavación. Pueden ser de funcionamiento manual o automático. Con las barras de sondeo manuales se mide la posición final de la pata con relación a una posición anterior. Los sistemas automáticos requieren de un sistema de desplazamiento para hacer seguimiento a la posición de la pata y de un sistema para registrar datos. La instalación de las barras es típicamente vertical aunque con alguna dificultad se pueden instalar también en estribos de pared inclinada. Se usan especialmente cuando el lecho está formado por materiales gruesos. Este tipo de instrumento fue posiblemente el primero que se usó para detectar la socavación en aguas bajas. Una alternativa que se ha empleado en aguas mas profundas es el uso de pesas o lastres, tal como se ha practicado en navegación desde hace cientos de años. Las barras de sondeo se han ensayado en diversas ocasiones en varios proyectos en EUA encontrándose que el tamaño de la pata es muy importante. Si ésta es muy pequeña quedaría enterrada en cauces arenosos debido al peso propio y a la vibración que produce el agua sobre el instrumento. Los contadores de los registros automáticos también suelen ser sensibles a las vibraciones producidas por el tráfico lo que ocasiona lecturas erróneas. El monitor BRISCO es de tipo comercial y consiste en una barra de acero de 3.8 cm de diámetro embebida en PVC que se desliza libremente por el interior de un conducto de acero de 7.6 cm de diámetro que va fijo a la pila. Una pata va pegada a la barra interior y a medida que se desliza siguiendo el hueco de socavación, se mide el descenso por medio de un cable que se le ha fijado a la parte superior y que opera un sistema de conteo dispuesto en una caja impermeable. • Ventajas • Son simples, baratas y adecuadas para cauces con material grueso y thalweg estable. • Limitaciones • Es difícil su uso cuando las profundidades del agua son grandes o cuando los huecos de socavación son profundos debido a que la longitud sin soporte de la barra sería también grande y se podría pandear. • Deben ser capaces de resistir impacto de piedras, troncos, hielo. • Las barras pueden producir socavación adicional. • Pueden traer problemas adicionales de vorticidad o vibración. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.5 • La movilidad de la placa se limita por sedimento atrapado entre la barra y el soporte tal como se aprecia en la Figura 8.1b). Barra Lecho socavable Pata a) b) Figura 8.1 a) Esquema de una barra de sondo. b) Barra de sondeo instalada en un puente y sepultada por sedimentos. Río Javi-gawa. Japón. 8.3.1.2 Barras enterradas con indicadores físicos Consisten en un collar que se desliza libremente siguiendo el lecho socavado, a lo largo de una barra o poste enterrado y fijo a la pila. La barra debe enterrarse por debajo de la profundidad máxima esperada de socavación. La localización del collar se hace por medio de indicadores y sondas magnéticas o radioactivas. Pueden ser de funcionamiento manual o automático. Cable Sonda de detección Barra Pila Terreno natural Collar Figura 8.2 Esquema de instalación de una barra con collar de sondeo. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.6 • Ventajas • Relativamente simples de construir y manejar. • Bajo costo. • Fácil instalación y operación de la barra enterrada y del collar a medida que el hueco de socavación se produce cuando el lecho es homogéneo, no cohesivo y no consolidado. • Limitaciones • Difícil de instalar en lechos con partículas gruesas. • El soporte y el collar están sujetos a doblarse o atascarse por basura o sedimentos. • La longitud sin soporte de la barra y las vibraciones por impacto de piedras u otros objetos pueden ser un problema. • Los sensores se pueden dañar durante el proceso de hincado de las barras y especialmente si son eléctricos o electromagnéticos. • Las barras pueden aumentar el potencial de socavación ya que perturban el material del lecho, especialmente en suelos cohesivos y consolidados cuando el material de relleno suele ser de diferentes características que el encontrado originalmente. • Se usan en aguas de poco calado debido a las limitaciones de la longitud de la barra. Existen equipos comerciales disponibles que permiten determinar la profundidad de socavación manualmente o por medio de técnicas registradoras. El uso de estos equipos está limitado por la profundidad esperada de socavación y la necesaria longitud de vara para hacer el seguimiento de la socavación. Es posible que el collar quede sepultado por sedimentos una vez pase la creciente pero sigue siendo representativo de la máxima profundidad de socavación. • Tipos de barras de sondeo Las barras y los indicadores físicos se pueden construir de diferentes metales, como por ejemplo: a) Barras no metálicas (PVC, fibra de vidrio) con collares metálicos en forma de herradura. Una serie bobinas se deslizan a lo largo del interior de la barra hasta detectar la presencia del collar por medio de señales eléctricas. Pruebas de campo han mostrado que estas instalaciones son susceptibles de fallar durante crecientes y que las señales eléctricas pueden afectarse por el acero de refuerzo de las pilas y las agarraderas de fijación. b) Barra metálica y collar con indicador magnético. Una sonda provista con un interruptor magnético se desliza por el interior de la barra hasta detectar la presencia del collar. La sonda se baja con la ayuda de un servomotor hasta que detecta la presencia del collar en donde se detiene y su posición se lee con un potenciómetro. Lecturas automáticas se obtienen cuando se instalan varios sensores magnéticos a lo largo de la barra de forma que sean detectados a medida que la sonda va descendiendo. Un grupo de investigadores de las Facultades de Ingeniería Civil e Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad del Cauca desarrolló una sonda magnética para medir profundidad de socavación en cauces de los ríos. Este equipo permitiría tener un registro 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.7 periódico de la variación del cauce en función del caudal máximo presentado en el sitio. El equipo se considera que es de bajo costo y fácil instalación, Chavarro, E. (1994). El sistema desarrollado tuvo como función detectar con la ayuda de una sonda la profundidad a la cual se encuentra un indicador físico, el cual se introduce por la cavidad del tubo que sostiene el indicador y permite su deslizamiento en forma vertical. A la vez, el sistema presenta la medida de dicha profundidad de una manera muy entendible al usuario. El equipo tiene la ventaja de detectar permanentemente la profundidad máxima de socavación alcanzada en un instante dado, aunque después esta socavación sea cubierta por sedimentos nuevamente. Componentes del sistema El sistema desarrollado se compone de tres módulos principales, los cuales son: 1) Módulo mecánico o indicador físico. 2) Módulo de movimiento de la sonda. 3) Módulo de captura y despliegue de la información. La Figura 8.3 muestra el diagrama en bloques del sistema diseñado. Figura 8.3 Sonda Magnética. Chavarro E. 1994. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.8 1) Indicador físico Es totalmente compacto y está hecho de hierro fundido. Este indicador se desliza sobre el soporte cilíndrico que lo sostiene y es el encargado de mostrar a qué profundidad se encuentra el nivel de la superficie que lo sostiene. 2) Módulo de movimiento de la sonda Carrete de cable Es donde se encuentra enrollado el cable que sostiene la sonda. Este cilindro gira a medida que la sonda requiere mas cable. Motor Encargado de proporcionar el movimiento de giro que requiere la polea para que baje cada vez más por medio de la cavidad hueca que tiene el soporte, o recogerla con todo y cable, haciendo un giro en sentido contrario. Control del motor Es un interruptor manejado por medio de un botón de arranque, el cual proporciona una polaridad de alimentación para el motor, logrando que el motor baje o suba la sonda. Polea Encargada de mantener el movimiento del cable en una sola dirección, guiándolo, tanto al recogerlo como para bajar la sonda. Sonda Dispositivo que se encarga de detectar la presencia del indicador físico. El componente básico de esta sonda es un circuito integrado que genera un pulso al estar en presencia de una señal determinada. 3) Módulo de captura y despliegue de la información Contador Se encarga de contar el número de pulsos que envía la señal. Registro Encargado de almacenar el último estado que entrega el contador. Este registro se implementa con tres registros de cuatro bits. Decodificador Efectúa una decodificación de los datos que vienen del registro. Despliegue luminoso Encargado de mostrar en forma lumínica entendible al usuario el número de vueltas que dio la polea, para con este dato y la longitud de la circunferencia de la polea poder obtener el valor real en centímetros de la profundidad de socavación. Su implementación se logra con despliegues de siete segmentos. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.9 c) Barra metálica en Cobalto 60 y collar en forma de herradura en plomo. El collar es localizado por medio de un espectómetro portátil de rayos gamma que se introduce dentro de la barra para detectar el grado de radioactividad emitido por el Cobalto 60 que está almacenado en la herradura del anillo de plomo. Para prevenir atascamiento del collar, se usan unas arandelas con pestañas de caucho pesado pero flexible de 27 cm de diámetro y 2.5 cm de espesor que hacen contacto con la barra. La cápsula de Cobalto 60 se pega con resinas epóxicas al collar. Figura 8.4 La ventaja sobre otros equipos similares es que se pueden usar barras metálicas más resistentes y que las señales no están interferidas por la presencia del refuerzo de las pilas como ocurre con los indicadores magnéticos o eléctricos. Este equipo ha sido desarrollado por el profesor B. W. Melville (1982) de la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda). Cobalto 60 Planta Anillo de caucho (Espesor de 25 mm y separación del tubo de 2mm) Tubo de 6.2 cm Platinas de fijación Anillo de plomo de 27 cm de diámetro Anillo de caucho Elevación Rivetes de plomo Figura 8.4 Indicador físico. Melville B. W., (1982). 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES Tubo localizado en el punto de máxima socavación 8.10 Pila Flujo Anillo en forma de herradura descansando sobre le hueco socavado Figura 8.5 Instalación de la barra de sondeo a una pila. Melville B. W., (1982). a) Figura 8.6 b) a ) Barra de sondeo tipo scuba mouse. Instalación de la barra de sondeo a una pila. b) Indicador físico listo para ser lanzado al agua. Cortesía de B. W. Melville (1998). 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.3.1.3 8.11 Otro tipo instrumentos fijos y enterrados Existen además de las barras de sondeo otro tipo de dispositivos enterrados como: líneas de interruptores, sensores de conductividad, detectores térmicos, sensores electromecánicos, radio transmisores, flotadores, hidrófonos, cadenas de socavación y columnas de arena, que de una u otra forma permiten detectar cuando son expuestos al flujo de agua por degradación del cauce. a) Líneas de interruptores: es un método simple para determinar la elevación del lecho que consiste en una serie de interruptores montados a intervalos fijos sobre un poste de forma que cuando están embebidos en suelo están abiertos pero cuando son expuestos al agua por la socavación se van cerrando sucesivamente. La profundidad máxima de socavación coincide con la posición del último interruptor cerrado. Esta técnica requiere muchos cables, hay incertidumbre sobre el comportamiento de los interruptores a largo plazo y requiere instalación muy cuidadosa, pero puede ser efectiva cuando los interruptores se montan a lo largo de las pilas de un puente en construcción. Las celdas fotoeléctricas montadas sobre una barra hincada en el lecho del río son otra alternativa que funciona de manera similar a los interruptores pero no ha sido usada para medir profundidades de socavación. b) Sensores de conductividad: se usan para medir la diferencia en la conductividad eléctrica entre el agua y el material del lecho del río. Hay algunos casos exitosos reportados en la literatura sobre su uso en la determinación del fondo de cauces arenosos y gravosos pero no en arcillosos. La turbulencia del agua reduce la precisión de las lectura, siendo ésta también determinada por el número de electrodos usados. Cada electrodo requiere de dos cables conectados a un contador de datos y su elevación debe ser conocida para poder saber la posición del lecho. Deben tomarse precauciones para prevenir daños en los electrodos y sus cables durante la instalación y la operación. Estas limitaciones deben ser superadas antes de que este sistema se pueda considerar como eficiente y económico para medir profundidades de socavación. Superficie del agua Sensores de conductividad Parejas de electrodos Lecho del río Figura 8.7 Sensores de conductividad. Federal Highway Administration. (1995). 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.12 c) Detección térmica de la socavación: este tipo de instrumentación está basada en la detección de los cambios de temperatura en la interfase suelo-agua (Camp, Ch. V. Pezeshk,S., and Leatherwood T. D., 1998). Es similar en concepto al sensor de conductividad pero usa la disipación de la energía entre el agua y el material del lecho para determinar su posición. Ambos sistemas sufren de problemas similares. Ensayos de laboratorio realizados han usado una serie de termocuplas montadas verticalmente en un tubo plástico. Los principios básicos de funcionamiento son: • El suelo del lecho permanece con una temperatura relativamente constante equivalente aproximadamente a la temperatura media anual de la región. • La temperatura del agua es diferente a la temperatura ambiente. • Cambios bruscos en la temperatura del material del lecho reflejan que ha sido expuesto por el flujo del agua durante el proceso de socavación. Nivel del agua Profundidad Nivel original del río Nivel del lecho socavado Figura 8.8 Perfiles de temperatura a lo largo de la interfase suelo-agua.Camp, Ch. V. Pezeshk,S., and Leatherwood T. D., 1998. d) Sensores electromecánicos: se colocan a intervalos definidos a lo largo de postes enterrados en el lecho del río. Los sensores incluyen desde simples interruptores hasta sofisticadas películas piezoeléctricas que generan una corriente pequeña cuando vibran. Son relativamente simples y de bajo costo pero la instalación se dificulta en materiales gruesos, cuando la profundidad del agua es muy grande y están afectados por vibración e impacto del hielo y basuras. La Figura 8.9 muestra una instalación desarrollada en Inglaterra en que se usaron interruptores de mercurio protegidos en caucho. En el caso de usar películas piezoeléctricas, éstas son enterradas en el lecho produciendo un voltaje cuantificable cuando son movidas por el agua. Las películas se protegen con materiales impermeables, flexibles y durables que no se deterioren cuando estén expuestos al aire, al sol, al agua, al suelo o a contaminantes químicos. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.13 Estas técnicas son sensibles a la vibración producida por el tráfico y al paso del agua y sedimentos pero se consideran prometedoras aunque no están suficientemente probadas como para ser implementadas en la práctica. Monitor Monitor Cable Pila Lecho original Sensores Lecho socavado a) Figura 8.9 b) Sensores electromecánicos. a) Aguas bajas, sensores enterrados. b) Aguas altas, sensores expuestos al flujo. Federal Highway Administration. (1995). e) Radio transmisores: se usan radio transmisores sensibles al movimiento protegidos por elementos impermeables. Cada transmisor (o pescado) se fija a un poste quedando enterrados en el sedimento. Al ser expuestos al flujo de agua se mueven cambiando la señal de inactiva a activa e indicando la profundidad de máxima socavación. Pescados de este tipo han sido usados para monitorear socavación en el río Blanco (Yankielum N. E. and Sabilansky L. J. 1998) pero la baja resolución de los radio transmisores impidió que se pudiera relacionar las profundidades de socavación con el hidrograma. Una velocidad mínima se requiere para que el "pez" empiece a "nadar" con la corriente y active la señal siendo difícil distinguir si la señal está inactiva porque el "pez" ha sido sepultado nuevamente por sedimentos o por que la velocidad del flujo es muy baja. Otro problema que se presenta es la duración limitada de las baterías. Nivel original del lecho Barra vertical Radio transmisor Figura 8.10 Radio transmisores sensibles al movimiento. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.14 La División de Transportes de California (CALTRANS, 1995) ha aplicado una técnica para monitorear profundidades de socavación usando radio transmisores en las proximidades a los apoyos de un puente habiendo obtenido resultados prometedores. f) Flotadores: Los flotadores son tubos plásticos cilíndricos de aproximadamente 300*127 mm. Se entierran verticalmente a diferentes elevaciones al pie de la pila. Si la socavación alcanza uno de los flotadores, éstos se mueven horizontalmente haciendo que un interruptor transmita una señal de radio a un receptor ubicado en la superficie del puente enviando la señal a una oficina central si se ha instalado también equipo de telemetría. g) Hidrófonos: estos instrumentos incluyen adaptaciones de equipos de exploración sísmica y consisten básicamente en un receptor de ondas de sonido. Una serie de hidrófonos instalados a varias profundidades detectan diferencias en la intensidad de las ondas sonoras de un pulso acústico generado cerca de la pila o del estribo. Son instrumentos relativamente simples en concepto, baratos y no están afectados directamente por basuras pero hay poca experiencia sobre su uso y son de difícil instalación en lechos formados por sedimentos gruesos. h) Cadenas de socavación: las cadenas de socavación son uno de los más comunes y antiguos sistemas usados para determinar las profundidades de socavación. Un hueco se excava en épocas de creciente para enterrar una cadena con un lastre. Cuando ocurre la creciente, el material del lecho es lavado de forma tal que el hueco de socavación expone la cadena moviéndola hacia aguas abajo con la creciente. Al bajar la velocidad una vez pase la creciente, la cadena es enterrada nuevamente por el sedimento que se va depositando pero la posición de la cadena se puede detectar excavando hasta llegar a la posición donde quedó después de ser expuesta al flujo. El punto donde la posición de la cadena cambia de horizontal a vertical define la máxima profundidad de socavación. Si se quiere, la cadena se puede colocar nuevamente en forma vertical. Este método es tedioso y aplicable únicamente en corrientes efímeras para poder hacer la excavación durante aguas bajas. Lecho original del río Cadenas Lecho socavado Lastres Figura 8.11 Cadenas de socavación. i) Columnas de arena: otro tipo de instrumentación es la descrita por E. Juárez Badillo y A. Rico Rodríguez (1992). Se hacen una serie de perforaciones durante el estiaje para después ser rellenadas de material distinto al suelo, por ejemplo, polvo de ladrillo. En la siguiente época de sequía se hacen unos pozos en el mismo sitio de las perforaciones hasta alcanzar la 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.15 profundidad en que ese material no haya sido removido, profundidad que indicaría el nivel hasta donde el fondo descendió durante la máxima creciente anterior. Para localizar fácilmente esos pozos, se sugiere hincar un tubo o varilla metálica de unos 2 cm de diámetro en toda la profundidad del pozo, dejándola sobresalir 1 o 2 metros del nivel actual del fondo. Estos pozos permitirían realizar observaciones en años posteriores siempre y cuando los nuevos caudales de creciente sean mayores que todos los pasados desde que se construyó el pozo. 8.3.1.4 Equipos acústicos o sonares Los sonares miden la posición del lecho del cauce basados en el tiempo de viaje de una onda acústica a través del agua desde un transductor al fondo del río y de vuelta al transductor. Si se conoce la velocidad de la onda sonora en agua (Ej. 1500 m/s a 25 °C y 15000 ppm de salinidad), se pude convertir el tiempo de viaje en distancia. El tiempo de viaje del sonido se puede medir electrónicamente en un equipo digital o mecánicamente en un equipo de registros análogos. Instrumentos acústicos se han usado durante muchos años para medir la profundidad del agua siendo de varios tipos: eco sondas electrónicas, fatómetros en blanco y negro, sistemas de vigas múltiples, sonares de color. Van desde simples detectores de peces muy fáciles de operar hasta otros que proveen gran precisión y ejecutan múltiples funciones. La precisión de las medidas depende en gran medida de la exactitud en el posicionamiento del transductor. • Sonar scanner: el montaje es similar a una eco sonda fija pero el transductor se monta en un mecanismo que lo gira y lo inclina permitiendo el cubrimiento de un área circular desde una sola posición. • Sistemas de vigas múltiples: emiten un abanico de sonidos y reciben segmentos del sonido reflejado. Producen una alta cantidad de información que requiere computadores muy potentes para ser almacenada y procesada. • Fatómetros: se usan para describir el perfil del lecho en la zona de los puentes durante crecientes. El equipo se fija a un lastre bajándose suavemente y halado atrás y adelante a través del cauce. Es casi imposible atravesar el río a una velocidad constante por lo que los perfiles tienen una variedad de escalas horizontales lo que causa dificultad en la interpretación de los datos. • Sonares: los sonares van acompañados de transductores que convierten los pulsos acústicos. Se montan en una caseta para protegerlos de vandalismo y el transductor va típicamente montado en la pila como se observa en la Figura 8.12 Impresora de datos y telemetría son recomendables para facilidad del registro y análisis de los datos, caso en que la energía es suministrada por baterías, corriente eléctrica o celdas solares. El alcance mínimo es de 0.5 m para detectores de peces y puede llegar a exceder los 150 m de profundidad. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.16 La frecuencia estándar del transductor va de 20 a 200 kHz siendo ésta última la mas representativa. Entre mas pequeña sea la frecuencia mayor es el radio de acción del sonar, lo que tiende a suavizar las irregularidades del lecho pero permite mediciones mas profundas. Transductores con alta frecuencia tienen radios de acción menores y por lo tanto permiten tener mas precisión en los detalles de las mediciones pero se limita la profundidad, Figura 8.13. Computador (Disco duro) Transductor niveles agua Cabeza del sonar Vàstago Transductor Monitor Pila del puente Suministro de energía Lecho del río AC 100V Rayos ultrasónicos Impresora Figura 8.12 Esquema de instalación típica de un sonar. Superficie del agua Transductor Ancho de la franja angosto Ancho de la franja amplio Figura 8.13 Transductor de sonar. Federal Highway Administration. (1995). 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.17 Figura 8.14 Instalación típica de un sonar desde un puente. PWRI. • Ventajas • Los sonares son fáciles de usar y bastante precisos y mas convenientes que otro tipo de sistemas para detectar socavación. • La instalación es más sencilla que la de barras enterradas. • La toma continua de datos permite tener un registro del proceso de erosión y sedimentación, ser archivado en medio magnético y usar telemetría. • Se pueden instalar en puentes grandes y ríos con aguas profundas. • Es posible obtener toda la batimetría del cauce en la zona del puente. • Limitaciones • La acumulación de basura y sedimentos en la pila puede obstruir al transductor y bloquear la ruta del sonido ocasionando que registre la posición de estos materiales y no la del lecho del cauce o dando medidas erróneas. • Corrientes con alta concentración de sedimentos en suspención absorven el pulso sónico impidiendo la reflexión del eco. • Las basuras pueden dañar y destruir el transductor, siendo difícil reemplazarlo durante crecientes. • Debe hacerse mantenimiento del transductor o protegerlo para evitar el crecimiento de algas. • La mínima elevación del transductor debe ser 0.6 m con respecto al fondo del lecho, lo que ocasiona que a veces quede por encima de la línea del agua arrojando resultados erróneos. • Muchas veces se requiere de buzos para hacer la instalación, inspección y mantenimiento del transductor, especialmente si está colocado cerca al fondo del río. • Hay limitaciones de uso en aguas altas y corrientes con elevada velocidad debido a la entrada de aire y turbulencia. • El sonar solo se puede operar desde un puente cuando la estructura es baja. • Recogen mucha información lo que hace dispendioso su procesamiento. • El tiempo de duración de la batería es una limitación en equipos de funcionamiento continuo. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.18 D. Mueller reporta que un simple sonar para detectar peces con salida digital puede costar menos de US$ 200.00. Una ecosonda comercial usada para hacer batimetría en ríos, bahías y océanos es mucho mas sofisticada y precisa permitiendo múltiples frecuencias y transductores con anchos de franja angostos (± 3°) pero cuestan entre 10 y 50 veces más. Un sistema así sería usado para el puente Woodrow Wilson en el río Potomac que tiene profundidades de 16 m en el cauce principal para tomar las medidas necesarias en los estudios hidráulicos y de socavación para el reemplazo del puente. El costo estimado del monitoreo es de US$ 200,000.00 lo que se considera mas económico que el uso de otro tipo de medidas de protección hidráulicas o estructurales, (Hunt, B. E., Triandafilou, L. N., Carreras, P. A., LaBella D. A. and Price, G. R. 1998). 8.4 Instrumentación portátil El uso de instrumentación portátil facilita el transporte del equipo de puente a puente y la medición en uno o en mas sitios, en tiempo real, antes, durante o después del proceso erosivo. El equipo portátil se usa principalmente para medir la situación del cauce después de pasada una creciente y para verificar el funcionamiento de la instrumentación fija. Estos equipos se despliegan desde un bote, desde una plataforma flotante, o desde el puente, para determinar la posición del lecho a lo largo y alrededor de pilas y estribos. La instrumentación móvil para medir socavación puede variar desde un medidor de profundidad en blanco y negro, hasta equipos como radares de penetración terrestre, transductores de sonido, medidores de profundidad en color y otras técnicas geofísicas o simples cables y pesas como las usadas para la medición de corrientes. Ventajas • Facilidad de movilización de un sitio a otro por lo que mas puentes pueden ser investigados con el mismo equipo. • Se puede usar para hacer mediciones puntuales o batimetrías completas permitiendo cubrir áreas mas extensas. El cubrimiento espacial se hace de izquierda a derecha y empezando desde aguas arriba hasta aguas abajo del puente. • Es adecuada en corrientes donde la duración de las crecientes es suficientemente larga como para permitir el desplazamiento de personal y equipos. • Permite tomar mediciones de emergencia cuando el desplazamiento de los equipos se hace con rapidez. • Los costos iniciales son menores que para equipos fijos. • Pueden ser parte de un programa rutinario de inspección. Limitaciones • La movilización de equipos puede ser peligrosa y difícil durante crecientes y a sitios remotos requiriéndose el uso de instrumentos geofísicos que permitan medir la profundidad de socavación después de pasada la creciente. • Se requiere de bastante personal para el desplazamiento, despliegue de los equipos y realización de las mediciones. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.19 • Reporta la socavación al momento de la medición y no necesariamente la máxima. • Tiene los mismos problemas de la instrumentación fija relacionados con mediciones en aguas con velocidades altas, poco calado, profundidades muy altas, alta concentración de sedimentos y presencia de basuras. • A veces requieren botes o plataformas especiales de posicionamiento. 8.4.1 Tipos de instrumentación portátil 8.4.1.1 Barras de sondeo El sondeo para determinar la posición del fondo del cauce se puede hacer con cualquier tipo de barra o jalón con longitud similar a la de una persona. Son de dos tipos: barras de sondeo o jalones y cables con lastres. Se pueden usar desde el puente, desde botes o vadeando el río para medir profundidades en puntos determinados pero no tienen gran cobertura aunque resultan mejores cuando es difícil usar sonares debido a la presencia de aire y turbulencia. La forma de los lastres es usualmente de torpedo suspendido por un cable de acero. El peso debe ser de al menos 50 a 100 kilos para prevenir arrastre. Pueden tener mas peso en condiciones de creciente. Muchas veces se requiere contar con una grúa para el movimiento vertical y horizontal del lastre. Basuras en el fondo hacen que el lastre se atore llevando incluso a su pérdida. Ventajas • Son de bajo costo, fáciles de usar en aguas bajas y no se requiere entrenamiento especial. • En aguas altas se requiere de buzos que posibilitan la medición de la socavación local. La medición de la socavación por contracción se dificulta por problemas de posicionamiento. • Permiten obtener información cuando la entrada de aire o la turbulencia impiden el uso de un sonar. Limitaciones • La eficacia está limitada por la profundidad y velocidad de la corriente. • Es difícil definir el fondo del cauce en lechos sueltos. • No reportan un perfil continuo del lecho y las mediciones son muy demoradas. • Si se usan cables con lastres, se requiere del uso de grúas en el puente o montadas en planchones para manipular el peso del dispositivo. Además, existen problemas con la ruptura del cable, atascamiento o desviación del lastre y riesgos para el equipo humano. • Aguas profundas con velocidades mayores de 3 m/s dificultan el uso de lastres. 8.4.1.2 Sonares Los sonares como instrumentos de medición portátil tienen las mismas características que los de instalación fija. El sonar mide la posición del lecho desde el transductor por lo que éste debe referenciarse a niveles y puntos fijos. Deben hacerse correcciones a las lecturas del sonar para considerar movimientos del transductor. El sonar portátil puede posicionarse desde el puente o desde un bote. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.20 Figura 8.15 Bote equipado con sonar. Más recientemente, medidores de profundidad sónicos de dos y tres dimensiones pueden producir imágenes tridimensionales pero su uso en medición de socavación no se ha demostrado ampliamente. Existen métodos y equipos de medición desarrollados para condiciones marinas que se han empezado a usar en ambientes ribereños para realizar inspecciones e investigaciones bajo agua durante niveles bajos y altos del río. Dos de estos equipos son los sonares de vigas múltiples y los perfilómetros del subsuelo que se han usado tradicionalmente en proyectos de exploración de petróleo, gas y análisis sísmicos en el mar, (Foxworth, M y Reynolds J., 1995). Estos dos sistemas se pueden usar en forma separada o conjunta para realizar imágenes de lo que realmente está pasando alrededor de la pila de un puente y por debajo del lecho del cauce. Los equipos buscan mejorar la inspección de un gran número de estructuras bajo condiciones adversas con mayor precisión y claridad. Estos sistemas se usan desde embarcaciones pequeñas o soportados por una estructura desde el puente mismo. Un sistema completo de sonar de viga múltiple consiste del sonar, sistema de posición, brújula, censor, computador para recolección de datos, software y embarcación. El uso de una cámara exterior es deseable para tener una referencia visual de lo que acontece en la superficie y bajo agua. Todos los componentes individuales deben ser compatibles en precisión. La información tomada se puede presentar en esquemas en dos y tres dimensiones, planos, perfiles, secciones transversales y modelos. Un factor importante para garantizar la precisión en las mediciones hechas es la corrección por los movimientos de la embarcación en cualquier sentido. El sistema de perfilómetro del subsuelo permite determinar la condición real del material del lecho alrededor de la pila de un puente, lo cual resulta conveniente en aguas con alta carga de sedimentos en que el depósito de material ocurre una vez haya cesado la creciente causando el relleno de los huecos de socavación. El sistema consiste de transmisor, receptor, registrador de imágenes y transductores lo que permite producir un perfil en tiempo real del lecho del río. Si existe material de relleno, se ve por encima del hueco más profundo de socavación. El transmisor genera una señal de alto poder y baja frecuencia para conducir los transductores bajo agua. Los transductores convierten la señal eléctrica en energía acústica y la dirigen hacia el lecho del río 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.21 en donde esta energía acústica continua hacia abajo encontrando diferentes estratos de sedimentos. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.22 Alguna de esta energía se refleja, en tanto que otra continúa hacia abajo. El transductor recibe la señal reflejada y convierte este pulso acústico en señal eléctrica. Esta señal es pasada al receptor donde es amplificada y filtrada para después ser enviada a un registrador de imágenes que las puede mostrar en tiempo real. Se pueden alcanzar profundidades de 7 m dependiendo del material del lecho. • Instalación del transductor para instrumentación portátil Un sonar portátil se puede instalar desde un puente o desde un bote. La instalación desde un puente requiere suspender el transductor por medio de cuerdas o por medio de flotadores o plataformas flotantes. Los transductores deben protegerse contra hielo, basura y vandalismo. Muchas formas se han usado para bajar el sonar desde el puente. Por ejemplo, investigadores de la Inspección Geológica de los Estados Unidos (USGS) han medido la geometría de los cauces montando el transductor en la base de un lastre que es bajado dentro del agua de forma que quede sumergido unos 50 cm. El transductor se hace desplazar lentamente a lo largo del puente anotándose todos los datos de abscisa, profundidad, localización de las pilas y todas las características importantes. Cuando hay temor de que el cable del transductor del sonar se dañe, se debe abrir una zanja en la nariz de la pila, incrustar en ella el cable y luego sellar con mortero. Otros sistemas usados por USGS incluyen plataformas que usan esferas de fibra de vidrio con 61 cm de diámetro rellenas de espuma de poliuretano, pero no han mostrado ser muy eficientes debido al arrastre cuando las velocidades del flujo son altas lo que hace que el transductor no quede en posición vertical. Además, los lastres usados para mantener la esfera en posición generalmente requieren del uso de sistemas mecánicos. Sin embargo, el uso de las plataformas portátiles facilita el trabajo y lo hace mas rápido y menos caro, al tiempo que permiten tomar información desde aguas arriba, bajo el puente y aguas abajo, estando solamente limitada por la longitud de los cables de posicionamiento. También se ha tratado de instalar el transductor en la parte inferior de skies deportivos, siendo éstos manejados por medio de una cuerda colocada al frente para evitar deteriorar los cables del equipo. Los principales problemas en este caso son la entrada de aire debajo del ski y su inestabilidad. Otra alternativa es usar skies mas anchos que den mas estabilidad lo que ha resultado mejor a los skies convencionales en pruebas hechas en ríos de varios tamaños durante crecientes en que se han alcanzado velocidades incluso mayores que 3 m/s y en puentes con altura menor que 25 m por encima del nivel del agua. En puentes pequeños, con alturas menores de 6 m sobre el nivel del agua y velocidades menores de 2.5 m/s, se han usado palos largos de pintor para sostener los transductores. Para puentes mayores, también se usan botes pero ésto resulta peligroso en aguas altas y especialmente en la proximidad de las pilas donde hay alta turbulencia y presencia de basura. Este sistema requiere confianza, destreza en el manejo del bote, y adecuadas condiciones de operación y lanzamiento. Una alternativa es el uso de botes operados a control remoto como se ilustra en la Figura 8.15. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.23 Siempre es conveniente combinar el sonar con un sistema de telemetría para acceder a la información a control remoto, lo que es especialmente válido en puentes angostos en que tocaría cerrarse al tráfico una línea para poder acceder a la estación recolectora de la información instalada en el puente. • Configuración básica de instrumentación portátil con sonar Un sistema de instrumentación portátil usando sonar usualmente consiste de los siguientes componentes: métodos para determinación de la posición horizontal de los datos recogidos, instrumentos para tomar la elevación del cauce, muestreo de sedimentos y medición de la velocidad del agua, sistema de posicionamiento del sonar, y equipo para almacenamiento de datos. Esta configuración se ha usado para obtener información de socavación en puentes en los Estados Unidos desde 1993, tal como describe D. S. Mueller, (1997). a) Determinación de la posición horizontal de los datos recogidos Es importante localizar bien los puntos donde los datos se están tomando especialmente cuando se usa equipo portátil o geofísico, para lo cual existen desde sistemas sencillos basados en referencias de puntos claves del puente, a levantamientos topográficos detallados o uso de Sistemas de Posicionamiento Global (GPS). Datos de socavación requieren medidas horizontales y verticales coincidentes con las velocidades del flujo. El sistema de localización usado depende del tipo y nivel de detalle o resolución requerido. Por ejemplo, la socavación local requiere conocer únicamente el punto de máxima profundidad y un contorno en tres dimensiones del hueco. Para socavación por contracción y cambios en el lecho del cauce en la zona del puente, se requiere cubrir un área grande lo cual implica tiempo y equipo mas completo de medición. Equipo de topografía se necesita para tomar las secciones transversales aguas arriba, aguas abajo, en el puente, las características de éste y referenciar migraciones laterales o erosión de las bancas. Las secciones transversales deben tomarse siempre que sea posible de izquierda a derecha mirando hacia aguas abajo del flujo. Si las mediciones se hacen localmente en las proximidades a la estructura pueden referenciarse directamente con respecto a ella. A continuación se ilustra sobre algunos de los métodos mas comunes de posicionamiento. Debe tenerse presente que cualquiera que sea el método de posicionamiento que se use, es necesario tener siempre un punto fijo de referencia para poder comparar cambios ocurridos entre una y otra medición. • Intersecciones visuales La ubicación horizontal de los datos recogidos se puede hacer por métodos aproximados en que usualmente se referencian los puntos medidos con marcas hechas en las barandas del puente. Se usa una cinta de agrimensor y es útil dejar marcas de pintura permanente en las barandas metálicas del puente, marcas de cincel en el concreto o pequeñas baldosas pegadas, de forma que los puntos se puedan referenciar cada vez que se repitan las medidas. Este sistema es útil para reconocimientos iniciales o trabajos de emergencia durante crecientes en que el puente debe 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.24 inspeccionarse en tiempo muy corto pero no da detalles de los huecos de socavación que se requerirían para efectos de comparación. Este método puede usarse en combinación con sondas de socavación o sonares para obtener las mediciones verticales. • Sistema de cuadrículas Las mediciones desde un bote o por vadeo del cauce se pueden hacer usando un sistema de cuadrícula con líneas identificadas por referencias visuales. Las referencias pueden ser partes del puente, troncos, casas o postes en las orillas. La velocidad del bote debe mantenerse constante. El método se complementa con el uso de distanciómetros portátiles o simples jalones o metros por lo que resulta bastante aproximado, no siendo confiables los mapas batimétricos para propósitos de diseño o construcción. • Cuerda de referencia Una cuerda marcada a intervalos específicos se atraviesa en el cauce para permitir el posicionamiento lateral. Este es un método muy comúnmente usando en ríos vadeables, o para mediciones desde un bote o desde un puente. Las mediciones de profundidad deben obtenerse por medio de sondas de socavación o sonares. La inspección de múltiples líneas proporciona una malla con datos de posicionamiento horizontal y vertical. La distancia máxima recomendable para este tipo de métodos es de 300 m para evitar problemas de deflexiones. El método es sencillo pero resulta dispendioso y peligroso en aguas altas. Equipo de topografía debe usarse para tomar secciones transversales lejos del puente, datos precisos alrededor de la estructura y detectar migraciones laterales del cauce. • Radiación con equipo de topografía convencional El uso de equipo de topografía convencional (nivel, teodolito, estación total) se puede combinar muy bien con mediciones hechas desde botes y con el uso de sonares. Técnicas estándar de topografía midiendo el azimut a cada punto, se usan para determinar los huecos de socavación, las secciones transversales y las características del puente. Es necesario tener un sistema de comunicación en dos sentidos para coordinar las lecturas horizontales con las verticales. El método es preciso pero resulta largo y difícil cuando se tienen que tomar muchos puntos y la corriente es fuerte. Es posible que se requieran varios cambios para poder cubrir toda la zona. Condiciones de flujo sobre las bancas hacen difícil en muchas ocasiones conseguir el sitio óptimo para centrar el equipo topográfico. • Radiaciones automáticas con equipos hidrotopográficos Equipos hidrotopográficos involucran instrumentos de topografía acoplados con sonares para proporcionar información continua en tres dimensiones. La información se puede capturar en un computador y bajarla mediante un programa tridimensional para análisis y dibujo. Es un método rápido y preciso aunque varios posicionamientos se requieren para conseguir información en todas las pilas. Condiciones de flujo sobre las bancas hacen difícil en muchas ocasiones conseguir el sitio óptimo para centrar el equipo topográfico. Este sistema es más costoso que el de topografía convencional pero tiene muchas ventajas sobre todo en cuanto a precisión. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.25 • Sistemas de información geográfica (GPS) Los sistemas de posicionamiento global (GPS) son sistemas de navegación pasiva apoyados en satélites. Medidas detalladas de la batimetría del cauce y velocidades desde un bote en movimiento implican que se usen sistemas topográficos de localización como estaciones totales o Sistemas Diferenciales de Posicionamiento Global (DGPS) que permiten tener precisiones dentro de 1.0 m. Otros sistemas de seguimiento se ubican en donde el operario puede manualmente detectar un reflector montado en el bote lo que puede ser muy complicado durante crecientes. Los DGPS permiten recolección rápida de datos en áreas abiertas pero la presencia de árboles y puentes dificultan el adecuado cubrimiento satelital. b) Instrumentos para tomar la elevación del cauce, hacer muestreo de sedimentos y medir la velocidad del agua Todavía no existen métodos para medir con precisión la carga del lecho pero el desarrollo de nueva tecnología, mejoras en la existente y uso de instrumentos empleados en inspecciones hidrográficas y oceánicas están haciendo posible la recolección de datos batimétricos e hidráulicos. Sin embargo, es prácticamente imposible obtener muestras de materiales del lecho durante crecientes. Métodos acústicos son los principales para tener información de velocidades y la elevación del cauce. Un ecosonar digital con graficador en papel es el instrumento preferido para hacer batimetrías detalladas. Para aguas interiores, un sonar operado a 200 kHz y transductor de 3° opera bien, pero en velocidades altas, mayores de 3 m/s, se intensifica el problema causado por la entrada del aire y la presencia de sedimentos y basuras. Este instrumento produce un buen balance entre la resolución de la señal acústica y la penetración en aguas profundas o cargadas de sedimentos. La precisión en las medidas verticales depende de la estabilidad de la distancia entre el fondo y el transductor, la estabilidad del sistema de posicionamiento del transductor y la precisión del sonar. Los métodos tradicionales para medir la velocidad del agua se usan también para propósitos de cálculos de socavación, tales como correntómetros que miden la velocidad del flujo en una o en dos dimensiones. Nuevas técnicas como los correntómetros acústicos Dóppler de banda ancha (BB-ADCP) permiten obtener perfiles tridimensionales de la velocidad y determinar el caudal de ríos y canales desde un bote en movimiento. El BB-ADCP mide la magnitud y dirección de la velocidad del flujo usando el principio Dóppler asociado con la reflexión de la energía acústica de las partículas transportadas en la columna de agua. Este equipo recoge información muy precisa en las secciones transversales próximas y en el puente pero no es fácil de usar en la zona de vórtices cerca a las pilas. c) Sistema de posicionamiento del sonar La forma mas sencilla de posicionar los equipos es sosteniéndolos manualmente cuando el cauce se puede vadear. En caso contrario, es necesario usar botes para poder tener el cubrimiento espacial deseado. Recoger datos desde un bote es mas rápido y eficiente pero se requieren tener 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.26 muelles y altas exigencias de seguridad de los operarios especialmente durante crecientes. Los botes operados a control remoto son preferibles cuando existe este tipo de problemas, además que facilitan la recolección de información en zonas de difícil acceso. Un bote típico operado a control remoto, como se vio en la Figura 8.15 tiene aproximadamente 1 m de eslora y un motor de 8 caballos de vapor operado con controles parecidos a los usados en botes de recreación. Tiene una cavidad en el centro para alojar los equipos, posee más resistencia y se le adicionan mejoras a las condiciones de flotación. d) Equipo para almacenamiento de datos Toda la información se transmite por radio a un computador localizado en la orilla, en el puente o en un bote de manera tal que la posición del instrumento y la información recogida se registre simultáneamente. 8.4.1.3 Instrumentos geofísicos Permiten obtener cambios históricos de las profundidades de socavación a partir de mediciones hechas en un tiempo posterior. Ubican la posición de estratos con diferentes características físicas mediante la reflexión de un pulso causado por la interfase, basándose en la detección de la diferencia de densidades entre el material original del cauce que no ha sido removido y el material menos denso que ha sido depositado en el hueco de socavación una vez la creciente haya pasado y la velocidad del flujo haya bajado. Los sistemas geofísicos se clasifican principalmente dependiendo de si las señales son de tipo acústico o de tipo electromagnético, incluyendo: ensayos de penetración standard, exploración con penetrómetros y técnicas geofísicas. Requieren calibración y experiencia para obtener buenos resultados, (HEC-18, 1993). La mayoría de los equipos existentes para medir el lecho del cauce y las profundidades de socavación solo registran la realidad al momento de hacerse las medidas pero no necesariamente representan los niveles mas bajos alcanzados durante el proceso erosivo ya que los sedimentos transportados por el flujo de agua rellenan el hueco una vez la creciente empiece a bajar. Para obviar este problema, dos métodos se usan en la práctica: a) Hacer excavaciones y examinar el perfil litológico, lo que resulta lento, costoso y difícil de hacer en frente de pilas y estribos. b) Usar métodos geofísicos para registrar cambios en las propiedades del subsuelo, lo que debe complementarse con algunas perforaciones para comprobar la información arrojada por los equipos. Estos equipos geofísicos envían una señal a través del agua que es reflejada por las fases entre materiales que tiene diferentes propiedades físicas. Por observación de las señales reflejadas se obtiene información del tipo y profundidad de los materiales encontrados. La selección de un equipo para medir la profundidad máxima alcanzada por un hueco de socavación 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.27 que pudo ser rellenado posteriormente depende de la penetración y resolución requerida según las condiciones del sitio. Algunos tipos de instrumentos geofísicos eventualmente usados en mediciones de socavación se describen a continuación y en la Tabla 8.1. • Radar de penetración terrestre (RPT) Se usa para obtener perfiles del subsuelo de alta resolución, y en forma continua en seco o en aguas relativamente bajas (menos de 8 m). Este equipo transmite pulsos electromagnéticos en el subsuelo y mide el tiempo de viaje de ida y vuelta de la señal para retornar al recibidor. Cuando la energía electromagnética alcanza la interfase entre dos materiales con diferentes propiedades físicas, una porción de la energía se refleja en la superficie, otra es atenuada y otra se transmite a capas mas profundas. La profundidad de penetración del RPT depende de las propiedades eléctricas del material a través del cual la señal y la frecuencia de la señal se transmiten. Por ejemplo, materiales de alta conductividad como arcillas atenúan severamente la señal del radar, al igual que sedimentos saturados con o cubiertos por sal. Señales de baja frecuencia (80 Mhz) logran mejor penetración pero mas baja resolución, en tanto que señales de alta frecuencia (800 Mhz) logran mejor resolución pero menor penetración. El sistema RPT que incluye transmisor, recibidor, grabadora para almacenar mediciones y una antena cuesta aproximadamente US$ 50,000.00, (HEC-18, 1993). • Transductor de sonido El transductor de sonido es un sistema sísmico que opera a través de la recepción y transmisión de ondas acústicas. Una porción de la señal sísmica se refleja a la superficie cuando hay un cambio en la impedancia acústica entre dos lechos. Tiene menor señal de frecuencia (20 Mhz) que da mejor penetración pero menor resolución. El costo de este equipo puede ser de unos US$ 25,000.00, (HEC-18, 1993). • Medidor de profundidad en color Es un sistema sísmico de frecuencia variable que digita la señal reflejada y la presenta en una pantalla a color. El sistema mide la señal reflejada en decibeles y distingue entre fases por medio de la asignación de diferentes colores a diferentes grados de cambio de decibeles. Los cambios en decibeles de la señal reflejada dependen de la densidad, porosidad y tamaño medio del grano por lo que es capaz de identificar y definir fases superficiales en el subsuelo. El material suelto que ha rellenado el hueco de socavación es fácilmente penetrable y muestra baja reflectividad, en tanto que el material más denso tiene alta reflectividad. Los primeros materiales son considerados materiales de frío color como azul y verde, en tanto que los materiales mas densos son considerados como colores cálidos como rojo y naranja, (HEC-18, 1993). • Medidor de profundidad en blanco y negro Es considerado una buena herramienta para determinar el perfil del lecho del cauce ya que es incapaz de penetrar el cauce excepto en materiales muy suaves. El registrador gráfico es fácil de usar, de precio razonable y determina el perfil del lecho de una manera exacta y rápida. Un medidor de profundidad con posibilidad de graficar puede costar US$ 1,000.00, (HEC-18, 1993). 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES Tabla 8.1 Características Frecuencia Penetración Resolución Limitaciones Ventajas Costo aprox. Operación Ambiente Estudios de socavación Resultados esperados 8.28 Ventajas y limitaciones de algunos instrumentos geofísicos. D. Mueller reporta de Gorin y Haeni, 1989 y Crumrine, 1991. Radar de penetración terrestre Métodos geofísicos Fatómetro en Fatómetro a color. blanco y negro. Perfilómetro sísmico continuo 80 - 1000 MHz 200 kHz 20 - 100 kHz 3.5 - 14 kHz < 6.0 m en agua fresca. < 24.0 m en material resistente dependiendo de la frecuencia. 3.0 m para 300 MHz. 12.0 m para 100 MHz. 15.0 m para 80 MHz. Pocos metros en materiales altamente conductores. Desde centímetros a metros dependiendo de la frecuencia. 0.3 m para 300 Mhz. 0.6 m para 100 Mhz. 0.75 m para 80 MHz. Penetración limitada en agua salada, arcillas y otros materiales conductores. Muchas reflexiones pueden opacar la información. Presencia de piedras y boleos pueden dispersar las señales. Difícil de operar e interpretar. La señal es muy atenuada por la columna de agua. Define materiales del subsuelo y estratigrafía. Bueno para uso en tierra y aguas bajas. Penetra material orgánico. Alta resolución en aguas bajas. Información en disco duro. Ninguna en sedimentos típicamente marinos. 0.3 m a 1.5 m en sedimentos muy blandos. 0 m para 200 kHz. 3.0 m para 20 kHz. 0 a 6.0 m dependiendo de la frecuencia seleccionada y el material del subsuelo. Poca penetración en sedimentos de grano grueso. 0 a 6.0 m dependiendo de la frecuencia y el material del subsuelo. Poca penetración en sedimentos de grano grueso. Pocos centímetros. 0.15 cm para 200 kHz. 1.0 m para 20 kHz. Pocos centímetros. Pocos centímetros pocos metros dependiendo de la frecuencia. No hay buen definición para materiales del subsuelo. Se usa en materiales finos limos y arcillas). Requiere una Profundidad mínima del agua de 1.5 m. Muchas reflexiones pueden opacar la información. No da copia en disco duro. Poca penetración en sedimentos de grano grueso. Requiere una profundidad mínima de 1.5 a 3.0 m (dependiendo de los materiales del lecho). Poca penetración en sedimentos de grano grueso. Buena definición en la interfase agua-sedimento. Precisión en la profundidad del agua. Información en disco duro. Puede penetrar materiales conductores. Frecuencia variable. Usado para definir materiales del suelo y estratigrafía. Bueno en aguas profundas. Información en disco duro. US$ 20,000.0 a 60,000.0 US$ 400.0 a 3,000.0 Penetra materiales conductores. Frecuencia variable. Usado para definir materiales del suelo y estratigrafía. Bueno en aguas profundas. Puede indicar algunas propiedades físicas de los sedimentos (densidad, porosidad, tamaño del grano) US$ 2000,0 a 5,000.0 Operación a través de transmisión de energía electromagnética al subsuelo y la subsecuente recepción de energía reflejada en las interfases entre las capas u objetos de diferentes propiedades eléctricas. Tierra, aguas frescas y bajas. Fácil de operar. Puede identificar huecos existentes y rellenados. Puede identificar huecos existentes. Profundidad del agua mayor a 1.5 m. Puede identificar huecos existentes y rellenados. Profundidad del agua mayor a 1.5 m. Puede identificar huecos existentes y rellenados. Buena definición de estratigrafías superficiales. Medición exacta de la profundidad. Buena penetración y resolución pues se pueden optimizar variando la frecuencia. Buena penetración y resolución pues se pueden optimizar variando la frecuencia. 8. INSTRUMENTACIÓN Aguas bajas o profundas. a US$ 20,000.0 a 30,000.0 UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.5 8.29 Costo de la instrumentación La instrumentación de un puente puede resultar costosa, del orden de los miles de dólares, por lo que es importante decidir si se justifica o no. Otras estrategias incluyen buena inspección y mantenimiento. La Tabla 8.2 y la Figura 8.16 ilustran sobre costos de los diferentes tipos de instrumentación. Tabla 8.2 Costos de instrumentación en dólares. Federal Highway Administration, 1995. Tipo de instrumento Instrumentación fija Sonar Barras de sondeo Sonda con indicador físico magnético Sondas lastradas Sonar detector de peces Sonar 4,000.0 a 5,000.0 5,000.0 a 7,500.0 2,500.0 a 5,000.0 Instrumentación portátil < 1,000.0 500 15,000.0 16000 Costo por pila (US$) 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 Ins trum e nto Equipo (por pila) Inst alación (2 o 3 pilas) T elemet ría Figura 8.16 Costos de instrumentación en dólares. Avila C., Jaques, S. and Davies, p. (1998). 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.6 8.30 Recientes desarrollos en instrumentación Dada la importancia que la instrumentación tiene para garantizar la seguridad en los puentes, países como Estados Unidos y Japón han adelantado investigaciones que los han llevado a desarrollar dos sistemas actualmente en experimentación y que se describen a continuación. 8.6.1 Time Domain Reflectometry (TDR) TDR es una técnica de prueba electromagnética originalmente desarrollada para detectar fallas a lo largo de una línea de transmisión de energía por medio del envío de un voltaje y detección de reflexiones causadas por discontinuidades en el cable. Es así como un pulso eléctrico se envía a lo largo del cable, reflejándose apenas encuentra una discontinuidad, pudiéndose determinar la distancia a la cual se encuentra la falla. Cable Falla Ondulaciones Figura 8.17 Ondas producto de discontinuidades en un cable. Una forma anterior de TDR es el radar que data de los años treinta. La técnica se ha usado también durante muchos años para determinar la localización espacial y la naturaleza de diversos objetos, y con algunas modificaciones, para monitorear la deformación de un cable coaxial introducido en macizos rocosos. Ultimamente se ha aplicado al estudio de la integridad de los puentes mediante el análisis de las señales enviadas por un cable instalado en la estructura. Ch. H. Dowding y Ch. E. Pierce (1994, 1996), describen dos enfoques generales para localizar y cuantificar el daño de miembros críticos de una estructura mediante TDR. a) Determinación de la estabilidad general de la estructura haciendo seguimiento del movimiento de pilas y estribos con respecto a los materiales de la fundación, especialmente durante crecientes cuando es probable que ocurra la máxima socavación. b) Seguimiento de grietas internas en pilas y columnas causadas, por ejemplo, por terremotos. Ambos enfoques usan el mismo método de medir deformaciones de un cable metálico coaxial causadas por el desplazamiento o deformación del medio circundante. Estos cables requieren de un sistema electrónico de monitoreo para colectar ambos datos: mediciones globales de desplazamientos externos y mediciones locales de deformación interna. Es importante que el sistema funcione durante eventos extremos como caudales de creciente o terremotos, cuando se espera que ocurran los mayores daños. El sistema de monitoreo ha sido desarrollado en colaboración con el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos e HYPERLABS. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.31 Un sistema de medición TDR presenta varias ventajas para monitoreo a largo plazo de puentes. Ensayos realizados indican que es suficientemente seguro y robusto para resistir condiciones severas de construcción y operación. Es deseable que los cables se instalen desde la construcción de los puentes pero no se descarta su instalación en proyectos de rehabilitación de puentes existentes. Algunas demostraciones de campo han enseñado que los cables se pueden fijar al exterior del refuerzo y permanecer intactos después del vertido del concreto. La instalación en columnas ya existentes no se había investigado suficientemente hasta fines del siglo XX, pero se sabe que los costos se incrementan considerablemente. Las mediciones a control remoto están también siendo objeto de investigaciones. Información escrita suministrada por D. Prine (1998) menciona que el sistema de TDR se ha instalado en conjunto con inclinómetros en un puente al norte de California en el que perforaron un hueco en la zapata del puente que prolongaron hacia abajo. Un cable coaxial similar a los usados en televisión por cable se introdujo en el hueco y se fijó con una lechada. El costo del cable es de aproximadamente US$ 0.75/pie. Un probador comercial (Tektronix 1502 ) de US$ 8,000.0 se usó para enviar la señal eléctrica por el cable. El pulso es reflejado apenas encuentra una discontinuidad en el cable siendo posible determinar su localización. El sistema se puede acoplar a un computador y ser consultado a control remoto vía telefónica. Hay también otro sitio de ensayo al este de Ohio en donde un tramo de vía es susceptible de colapso debido al abandono de unas minas de carbón. TDR también se ha usado con éxito en el río Blanco (White River Junction) en Vermont con gran precisión, Yankielum N. E. y Sabilansky L. J. 1998. Una vista exterior de un instrumento comercial para TDR se muestra en la Figura 8.18 En un típico TDR se transmite un pulso electromagnético de energía a lo largo del cable a una velocidad determinada que es función de la velocidad de la luz, las características eléctricas y físicas de la línea de transmisión y del medio ambiente. Cuando el pulso llega al final del cable o a un sitio de falla, parte o todo el pulso es reflejado al instrumento, pudiéndose medir el tiempo que requiere la señal para llegar al final del cable o detectar la falla y regresarse. El equipo convierte el tiempo de viaje en distancia y despliega la información en forma de ondas y/o lecturas de distancia en forma digital. El tiempo de viaje de la señal de ida y vuelta está relacionado con la constante dieléctrica del material circundante y cualquier cambio en las condiciones de frontera a lo largo de la línea de transmisión (aire-agua, agua-sedimento) causa discontinuidad eléctrica. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.32 Figura 8.18 Vista exterior de un equipo de TDR. Instrumentos RiserBond. Ventajas • Facilidad de colocar el cable al tiempo de construcción de la estructura. El cable se fija al refuerzo y éste no sufre daño durante el vaciado del concreto. • El cable y el impulsor de la corriente son baratos y fáciles de conseguir. • El método funciona durante condiciones potenciales de daño: terremotos y crecientes. • Permite detectar tempranamente movimientos indeseables de la estructura. Limitaciones • No está muy estudiado su uso para puentes ya construidos en donde resulta mas complicado y costoso la instalación del cable. • TDR se ha diseñado para medir directamente profundidades de socavación y detectar pequeños movimientos laterales que reduzcan la estabilidad del puente durante crecientes. • TDR permite detectar movimientos de las estructuras tan pequeños como 2 mm. • Uso de TDR en la inspección de pilas y estribos. Las pilas y los estribos se pueden inspeccionar siguiendo el mismo sistema diseñado para detectar pequeños movimientos estructurales (del orden de 2 mm). La temprana detección de los desplazamientos aporta una señal de prevención sobre movimientos progresivos que reducen la estabilidad de un puente. De acuerdo con Ch. H. Dowding y Ch. E. Pierce (1994), el sistema de cables se diseña para permitir la medición directa de la socavación y para medir pequeños movimientos laterales de las pilas y estribos con relación al suelo de cimentación. En cualquier caso, los cables deben conectarse a un sistema económico y de bajo consumo de energía para enviar el voltaje que sea compatible con receptores de información. La Figura 8.19 ilustra una de las formas más prácticas para instalar los cables de TDR. Se observa que un simple cable desciende desde la losa del puente a lo largo de la pila y atraviesa un 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.33 hueco perforado en la zapata y los materiales de la fundación. El cable debe quedar bien adherido para asegurar la transferencia directa de los desplazamientos suelo-estructura. El cable también debe protegerse en su recorrido exterior para evitar daños por basura e intemperismo. Figura 8.19 Medición del desplazamiento de una zapata por TDR. http://iti.acns.nwu.edu/clear/tdr/ Dowding Ch. H. and Pierce, Ch., E. (1996). Otra forma de instalación, pero mas complicada, se observa en la Figura 8.20 en la que el cable se extiende a todo lo largo de la cara aguas arriba de la pila. Unas pestañas se instalan en las zonas mas débiles para precipitar la deformación del cable de forma que cuando la erosión llega al nivel de las pestañas, éstas quedan expuestas a la velocidad del flujo haciendo el sistema mas sensible y fácil para detectar los movimientos. Figura 8.20 Diseño preliminar usando TDR para medir socavación local durante crecientes. http://iti.acns.nwu.edu/clear/tdr/ Dowding Ch. H y Pierce, Ch. E. (1994). 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.6.2 8.34 Test de vibración por impacto (TVI) Este método ha sido desarrollado por el Instituto de Investigación Tecnológica de Ferrocarriles del Japón para determinar la estabilidad de la cimentación de un puente que usualmente está bajo agua o enterrada, haciendo difícil su inspección visual. Se basa en determinar la frecuencia natural de vibración real de una estructura y compararla con la frecuencia de vibración ideal. Los investigadores han establecido un índice de seguridad K que permite determinar la estabilidad integral de la estructura y también el efecto de medidas de rehabilitación, (Nishimura A. and Haya H.). El método considera que el cambio en las condiciones de la cimentación es causado por deterioro de los materiales o por disminución de la capacidad portante del suelo de cimentación. La consecuencia es que la frecuencia natural de la pila y el índice de seguridad decrecen. Pila Pila Suelo resistente Cimentación Cimentación Pilote Hueco Figura 8.21 Deformación típica de la cimentación. El método permite juzgar la condición de estabilidad de la pila y de los efectos de trabajos de refuerzo. La precisión de los resultados dados por el TVI se ha probado comparando el espectro de Fourier con la curva de resonancia dada por una prueba de vibración usando un generador de vibraciones colocado en la parte superior de la pila. El método ha sido autorizado por las compañía de ferrocarriles del Japón y usado por su personal de inspección para separar los puentes en dos grupos: seguros e inseguros. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.35 La frecuencia natural depende de la masa y la rigidez de la pila y la losa del puente y de capacidad portante de la cimentación. Se obtiene aplicando un peso de 30 Kg suspendido de losa tal como se observa en la Figura 8.22 El impacto es muy débil para causar daño a estructura pero suficientemente fuerte para que la frecuencia predominante coincida con frecuencia de vibración natural de la pila. la la la la Figura 8.22 Prueba de campo del test de vibración por impacto. La Figura 8.23 ilustra la configuración externa del equipo y Figura 8.24 indica el proceso de aplicación del test de vibración por impacto. Figura 8.23 Vista exterior del equipo para prueba de vibración por impacto. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.36 + Puente Peso 30 Kgf Sistema Medidor d Onda de Respuesta (s) Realizar Análisis de Fourier Determinación de la Frecuencia Natural de Vibración d Espectro de Fourier fn f (Hz) Comparar: La Frecuencia Natural Medida con la Frecuencia Natural Estandarizada. Determinar el Indice de seguridad. Figura 8.24 Test de vibración por impacto. Nishimura A. and Haya H. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA PARTE IV. SOCAVACIÓN EN PUENTES 8.37 A. Nishimura y H. Haya han establecido los valores estándar de frecuencia natural de vibración para pilas en condiciones ideales recogiendo datos de mas de 1000 puentes en Japón. Usaron además, análisis de múltiples variables para establecer una ecuación que permitiera evaluar la frecuencia natural de vibración para tres tipos de pilas diferentes teniendo en cuenta: tamaño de la zapata de cimentación, pilotes de cimentación y cajones de cimentación La decisión sobre la estabilidad de un puente se hace mediante el cálculo de un índice de seguridad y comparándolo con valores estándares prestablecidos según se ve en la Tabla 8.3. K= valor de la frecuencia natural medida valor de la frecuencia natural estandarizada K = índice de seguridad Tabla 8.3 Significado de los índices de seguridad. Nishimura A. and Haya H. Indice de seguridad K < 0.70 0.70 < K < 0.85 K > 0.86 Significado Rehabilitación inmediata Posibles problemas Sin problemas Ventajas • Es considerado bastante preciso y confiable. • Es portátil, lo que permite su desplazamiento de puente a puente. • Permite clasificar los puentes entre seguros e inseguros. Limitaciones • Debe saberse la frecuencia natural de vibración de la estructura estandarizada. • Muy costoso. • Software solo en japonés. 8. INSTRUMENTACIÓN UNIVERSIDAD DEL CAUCA
