Artículos de Investigación
Metodología para la predicción de las vibraciones del terreno inducidas porvoladuras y sus efectos en las estructuras. Aplicación en un caso real
Methodology to prediction of blast-induced terrain vibrations and its effects on structures. Application in a real case
Revista Ingenio
Universidad Francisco de Paula Santander, Colombia
ISSN: 2011-642X
ISSN-e: 2389-864X
Periodicidad: Anual
vol. 16, núm. 1, 2019
Recepción: 03 julio 2018
Aprobación: 26 octubre 2018
Autor de correspondencia: aldo.oliva@udc.edu.mx
Resumen: En este artículo se describen aspectos básicos relacionados con las vibraciones del terreno inducidas por voladuras y se presenta una metodología para la predicción de este fenómeno, así como los resultados de su aplicación en un caso real. Se describen los parámetros y variables que intervienen en los procesos de voladuras, métodos para predecir las vibraciones, así como sus efectos en las estructuras y criterios para evaluarlos. La metodología propone realizar voladuras de prueba con el propósito de obtener registros de velocidades o aceleraciones de partículas contra tiempo y utilizar la modelación numérica para cuantificar la respuesta dinámica del terreno, predecir los niveles de vibraciones que se podrían generar, y evaluar sus efectos en las estructuras, comparándolos con valores límites admisibles establecidos en las normativas para evitar daños. Se presentan los resultados obtenidos al aplicar la metodología en un caso real, así como las conclusiones y recomendaciones emitidas a partir de ellos.
Palabras clave: Daños estructurales, metodología de predicción, vibraciones en el terreno, voladuras.
Abstract: This article describes basic aspects related to blast-induced ground vibrations and presents a methodology for predicting this phenomenon, as well as the results of its application in a real case. The parameters and variables involved in blasting processes, methods to predict vibrations, as well as their effects on structures and criteria to evaluate them are described. The methodology proposes to carry out test blasting in order to obtain registers of velocities or accelerations of particles vs time and to use numerical modeling to quantify the dynamic response of the terrain, predict the levels of vibrations that could be generated and evaluate its effects on structures through comparative analysis with admissible limits values established in the regulations to avoid damage. The results obtained by applying the methodology in a real case are presented, as well as the conclusions and recommendations issued based on them.
Keywords: Structural damage, prediction methodology, vibrations in the terrain, blasting.
1. Introducción
Las vibraciones en el terreno producidas por voladuras son consecuencia de la detonación de cargas explosivas, y pueden definirse como oscilaciones mecánicas o movimientos cíclicos en el terreno debido al paso de fases alternativas de compresión y tensión. La intensidad de las vibraciones es el resultado de la propagación en todas las direcciones de ondas volumétricas y superficiales producidas por la liberación súbita de energía debido a la explosión. Las ondas internas que viajan por el terreno van acompañadas de ondas superficiales que parten del punto donde ocurre la detonación de la carga explosiva y se van diferenciando en la medida que los frentes de onda se alejan de la fuente. Durante su viaje, las ondas mueven las partículas del terreno que recorren produciendo sobre estas velocidades, desplazamientos y aceleraciones. La influencia de las vibraciones en aspectos relativos al trabajo y vida diaria de las personas, es considerada una de las principales problemáticas ambientales de las sociedades avanzadas [1], [2].Las vibraciones del terreno pueden tener efectos negativos en las obras civiles y ocasionar daños que incluyen desde la generación de micro fisuras y pequeños asentamientos diferenciales, hasta la ocurrencia de grandes grietas y hundimientos que desencadenan fallas geotécnicas y estructurales.Como criterio para evaluar el efecto de las vibraciones sobre las estructuras se utiliza, principalmente, la velocidad de partículas del terreno pues, como en muchos fenómenos ondulatorios, la velocidad es el parámetro que mejor correlación ha mostrado con los daños que se pueden presentar y el más importante a relacionar con las características de las voladuras. Las principales variables involucradas en la estimación de las velocidades de partícula son: la distancia desde la explosión hasta el punto de medición, la máxima carga de explosivo detonado, la velocidad de propagación de ondas y densidad del medio transmisor, y el tiempo [3].
1.1 Medición de vibraciones
La medición de las vibraciones producidas por voladuras en el terreno se realiza mediante instrumentos que miden la velocidad de las partículas. Estos instrumentos se conocen comúnmente como sismógrafos de voladura y se diseñan para medir las tres componentes principales del movimiento de las partículas. Ellas son, la componente longitudinal (x), transversal (y) y vertical (z). Los sismógrafos de voladura consisten en un transductor (generalmente un geófono, aunque se puede usar un acelerómetro) conectado a un procesador para recolectar y analizar las señales y, en muchos casos, almacenarlas. Generalmente, se almacenan los registros de comportamiento en el tiempo de la velocidad, aceleración y desplazamiento de las partículas, así como de la frecuencia.
1.2 Predicción de vibraciones inducidas por voladuras
1.2.1 Fórmulas analíticas. Varios investigadores han estudiado el problema de la predicción de vibraciones en el terreno y propusieron fórmulas que, con ciertas diferencias en sus enfoques, permiten calcular los niveles de vibraciones a partir de la correlación entre la velocidad máxima de partícula, la distancia desde la explosión hasta el punto de medición y la máxima carga de explosivo detonado (Tabla 1) [4],[5], [6],[7], [8],[9], [10], [11].
A partir de aplicar la fórmula de distancia escalada de raíz cuadrada, utilizando datos de muchas explosiones y mediante análisis estadísticos, se pueden determinar la constante “k” y el exponente “e” de un sitio, así como obtener la fórmula predictiva expresada mediante la ecuación (1) y su correspondiente gráfico (Figura 1) [11].
En la ecuación (1), se pueden considerar diferentes condiciones de confinamiento, modificando la constante “k” del sitio (Tabla 2).
1.2.2 Modelación numérica. El desarrollo alcanzado por la informática permite utilizar potentes técnicas basadas en la modelación numérica para simular y estudiar, con precisión aceptable, los procesos relacionados con la interacción dinámica terreno – estructura ante el efecto de las voladuras. Estas técnicas son utilizadas en diversos programas informáticos para modelar, simular y calcular la respuesta del terreno a los efectos dinámicos de terremotos, impactos o explosiones. Los programas informáticos que utilizan la técnica o método de los elementos finitos, se basan en la discretización o mallado de un medio continuo (por ejemplo, el terreno), subdividiéndolo en piezas pequeñas (elementos finitos) conectadas por líneas y nodos. Inicialmente, analizan y describen el comportamiento individual de los elementos finitos, para posteriormente representar el comportamiento del continuo como un todo, reconectando todas las piezas. En estos programas, las fuerzas dinámicas se pueden aplicar en nodos específicos para simular los efectos de una carga de impulso muy repentina, similar a la producida por las explosiones en los procesos de voladuras. Más adelante, se describe un procedimiento que utiliza el método de los elementos finitos para predecir vibraciones en el terreno inducidas por voladuras.
1.3 Límites para evitar daños
En las normas y literatura disponible, los límites admisibles para evitar daños en las estructuras son establecidos utilizando, principalmente, los criterios de velocidades y aceleraciones máximas de partícula, aunque también existen límites asociados con desplazamientos y deformaciones máximas impuestos a los sistemas estructurales. En el año 1980, las oficinas de minas y de reclamación y aplicación de minería superficial de los Estados Unidos (USBM y OSMRE, por sus siglas en inglés) publicaron la norma RI-8507 para la respuesta estructural y daños producidos por las vibraciones inducidas por voladuras en minería superficial (Figura 2).
Esta norma recomienda una velocidad máxima de partícula de 0,75 in/s (19 mm/s) en el intervalo de frecuencias de 4 a 12 Hz, para edificios con paredes interiores prefabricadas; y 0,5 in/s (12,5 mm/s) para edificios con recubrimiento de escayola. Por otro lado, para frecuencias mayores a 40 Hz, el límite máximo admisible es 2 in/s (50 mm/s).La norma española UNE (1993) clasifica las estructuras en tres grupos y establece valores límites de velocidades y desplazamientos en función de la frecuencia (Tabla 3) [12].
La norma australiana de explosivos AS 2187 y los estándares ingleses BS 7385-2, propusieron en 1993 los límites que se muestran en las Tablas 4 y 5[3].
La norma alemana DIN 4150 establece valores máximos permisibles de velocidad de partícula para evitar daños en edificaciones, en función de la frecuencia. (Tabla 6) [13].
En la Figura 3 se presenta la propuesta de Regulación Colombiana de Vibración por Voladuras (RCOLVV.09), para evaluar vibraciones producidas en canteras y que, eventualmente, se puede aplicar a demoliciones, maquinarias, tráfico de canteras y ferroviario, teniendo en cuenta las frecuencias principales (en Hz) asociadas a la máxima velocidad pico de partícula (en mm/s), y las diferentes categorías de construcciones (Tabla 7) [14].
2. Metodología
En este artículo se propone una metodología que aprovecha las ventajas de la modelación numérica y la medición in-situ mediante sismógrafos, para predecir las vibraciones en el terreno inducidas por voladuras y sus efectos en las estructuras.
2.1 Descripción de la metodología propuesta
La metodología consta de las siguientes etapas:
a. Definición de los límites permisibles para evitar daño en estructuras, de acuerdo con las normativas y referentes internacionales. En esta etapa se definen los umbrales de vibración que pueden causar daños en las estructuras, que no solo dependen del proceso de voladura sino de otros factores que pueden influir en el comportamiento del sistema terreno-estructura. Por esta razón, se recomienda realizar un estudio específico de daños que incluirá desde la caracterización del terreno y los materiales usados en la construcción, hasta la evaluación de los tipos de estructuras y las cargas actuantes sobre ellas. Como se explicó en la sección anterior, la mayoría de las normas y literatura disponible establecen valores límites de velocidad y aceleración de partículas en el terreno para evitar daños en los sistemas estructurales.
b. Realización de voladuras de prueba para obtener parámetros y registros de velocidades y aceleraciones. Las voladuras de prueba deberán realizarse en condiciones iguales o muy similares a las que existirán en la voladura real, y serán monitoreadas mediante sismógrafos. Para diseñar y ejecutar estas voladuras se deben considerar, entre otros, los siguientes aspectos:
- Características geológicas y geotécnicas del terreno en el sitio donde se realizarán las pruebas
- Cantidad y ubicación de cargas explosivas
- Distancia entre los puntos de voladura y la estructura objeto de análisis
- Cantidad y ubicación de los sismógrafos a utilizar
Con las voladuras de prueba se deberán obtener los registros de velocidades y/o aceleraciones de partículas en el terreno, así como otros parámetros y variables de interés.
c. Modelación dinámica de la respuesta del terreno mediante técnicas numéricas. Se propone un procedimiento basado en el método de los elementos finitos, que consiste en utilizar un programa informático de análisis dinámico, en el cual se aplicarán las cargas explosivas correspondientes al proceso de voladura que se pretende realizar, y se introducirá el registro de velocidad o aceleración vs tiempo obtenido (mediante sismógrafo) en las voladuras de prueba. El programa crea un registro equivalente de desplazamiento vs tiempo, que se aplica como condición límite nodal y es utilizada en el análisis de elementos finitos para obtener las velocidades, aceleraciones y desplazamientos de las partículas en el terreno (Figura 4) [15]. Como resultados, se obtendrán: velocidades, aceleraciones, desplazamientos, esfuerzos y otros parámetros en cada uno de los nodos que conforman la malla utilizada para discretizar el terreno. Por lo antes expuesto, y como parte del procedimiento propuesto, se recomienda identificar y seleccionar puntos en el terreno donde se supone que ciertos niveles de vibración pudieran afectar a las estructuras. Estos puntos de interés se denominan puntos de con-trol, y suelen ubicarse debajo de cimentaciones, pisos y pavimentos.
d. Análisis comparativo entre los parámetros calculados mediante la modelación dinámica y los valores límites permisibles establecidos en las normas y referencias internacionales. En esta etapa, se comparan los valores de los parámetros obtenidos mediante modelación dinámica en los puntos de control previamente seleccionados, con los valores permisibles que se establecen en las normas y literatura internacional. Como se explicó en la sección 1.3, la mayoría de las normas internacionales establecen valores de velocidad límite de las partículas del terreno, por encima de los cuales es probable que se generen daños visibles en las estructuras. Cuando los parámetros obtenidos mediante modelación dinámica superan los límites permisibles para evitar daños, será necesario evaluar y proponer medidas para eliminar o mitigar el efecto negativo de las vibraciones.
2.2 Aplicación en un caso real
La metodología propuesta se utilizó para predecir las vibraciones en el proyecto de ampliación de una planta industrial en Baja California, México. Las obras de ampliación, incluyen la construcción de plataformas y terraplenes en sitios donde será necesario realizar voladuras en rocas. Con el propósito de diseñar las cargas explosivas y su ubicación en el terreno, la empresa constructora solicitó analizar los efectos de las vibraciones inducidas por las voladuras sobre una estructura cercana, destinada a oficinas y almacenes (Figura 5).
3. Resultados
A continuación, se describen los resultados obtenidos en cada una de las etapas de la metodología
3.1 Definición de los límites permisibles para evitar daños en la estructura
Para definir los límites de vibraciones permisibles, se utilizaron las velocidades límites establecidas en las normas y regulaciones descritas en la sección 1.3. Dichas velocidades, fueron obtenidas a partir de un estudio de daños potenciales, en el que se consideraron no solo los parámetros relacionados con las voladuras que se planean realizar, sino las características del terreno y de la estructura a proteger (Tabla 8).
Además, se definieron valores permisibles de velocidades de partícula para evitar afectaciones en las personas que trabajan en las oficinas y almacenes ubicados en la estructura objeto de análisis (Tabla 9) [16].
3.2 Voladuras de prueba
Se realizaron cuatro voladuras de prueba en un terreno cercano a la planta industrial, constituido por rocas similares a las que se encuentran en el sitio donde se construirán las plataformas y terraplenes del proyecto. En cada una de las voladuras se variaron las cantidades de cargas explosivas y sus profundidades de ubicación en el terreno; y en todas las pruebas el sismógrafo se ubicó a 15.00 metros del patrón de voladura. Como resultado, se obtuvieron los siguientes parámetros en las tres componentes principales (x,y,z) del movimiento de partículas en el terreno:
• Velocidad pico de partícula
• Aceleración pico de partícula
• Desplazamiento pico de partícula
• Frecuencias
• Tiempo (relativo a la activación)
3.3 Modelación dinámica de la respuesta del terreno
Como parte del proyecto de ampliación de la planta industrial, se realizaron estudios ingeniero-geológicos que permitieron obtener los modelos geológico-geotécnicos y perfiles estratigráficos del terreno, así como los parámetros físicos, geomecánicos y dinámicos de las rocas que se encuentran en la zona donde se realizarán las voladuras. Con esta información y con los resultados de las pruebas de voladuras, se elaboró el modelo para el análisis dinámico de la respuesta del terreno (Figura 6).
En el modelo de la Figura 6 se muestran las cargas explosivas correspondientes a la primera fase del proceso de voladura (voladura 1) y los puntos de control (A, B, C, D, E) ubicados en sitios donde se supone que ciertos niveles de vibración pudieran afectar a la estructura existente y a las personas que se encuentren dentro de ella. En la Tabla 10 se presentan las velocidades máximas de partículas del terreno, generadas por la voladura 1 en los puntos de control, que fueron obtenidas como resultado del análisis dinámico mediante el programa informático QUAKE/W [15].
3.4 Análisis comparativo
En la Tabla 11 se presentan las velocidades máximas de partículas obtenidas mediante la modelación dinámica y los valores límites permisibles para evitar daños, que fueron definidos según diferentes normas y regulaciones internacionales (Tabla 8). En la Tabla 12 se presentan los valores de velocidades máximas de partículas obtenidas mediante la modelación dinámica y los efectos que las mismas podrían producir en las personas.
4. Discusión
La predicción de vibraciones en el terreno inducidas por voladuras, es un problema complejo en el que intervienen variables controlables como la cantidad de carga explosiva por retardo y su confinamiento, el tipo y distribución del explosivo y los tiempos de cada retardo; y variables no controlables como las características geológicas y geomorfológicas del terreno, las condiciones climáticas, el viento y la ubicación del sitio donde se realizará la voladura. Las fórmulas analíticas de predicción que relacionan el parámetro D/√Q con la velocidad de partículas permiten ajustar la magnitud de las voladuras para evitar daños y son útiles en análisis preliminares, especialmente en el diseño de voladuras de prueba, pero fueron obtenidas para macizos rocosos y sus resultados pueden variar significativamente en medios constituidos por otros materiales. Además, no consideran la respuesta dinámica del terreno, ni sus movimientos en las proximidades de las estructuras. En consecuencia, utilizar estas fórmulas para predecir vibraciones en materiales que no se comporten de manera similar a las formaciones rocosas, puede conducir a errores en la evaluación de los daños potenciales y a voladuras ineficaces e ineficientes. La modelación numérica resuelve estas limitaciones porque permite considerar las propiedades físicas y geo-mecánicas de cualquier medio (suelos, rocas, rellenos artificiales, etc.) para modelar, simular y estimar su respuesta ante los efectos dinámicos de las voladuras y calcular no solo velocidades y aceleraciones de partículas, sino los desplazamientos y esfuerzos que se producen en cualquier punto del terreno.
Aunque las normas que regulan los niveles de vibración permisibles utilizan principalmente el criterio de velocidad de partícula en el terreno para definir los valores límites que evitarían afectaciones en las estructuras, los umbrales de vibración también están sujetos a factores relacionados con las construcciones como la carga estructural, propiedades de los materiales, técnicas constructivas, características dinámicas, amplitud de excitación y frecuencia sensible. Por tanto, definir los valores límites de velocidad de partícula para evitar daños, requiere de estudios específicos que incluyen, entre otros aspectos, la caracterización del terreno y de las estructuras, así como la evaluación de las cargas actuantes además de las voladuras.
La metodología que se presenta propone un procedimiento en el que se integran la información obtenida en las voladuras de prueba y la modelación numérica, para simular el proceso de voladura, cuantificar la respuesta dinámica del terreno, predecir las vibraciones que se generan y evaluar sus efectos en las estructuras. La aplicación de la metodología en el caso de estudio presentado, no solo permitió validar el procedimiento propuesto y comprobar su factibilidad, sino que sirvió para reajustar el diseño inicial de las voladuras y proponer medidas para reducir el riesgo de daños en la estructura que se quiere proteger y en el personal que labora en ella.
5. Conclusiones
Las vibraciones inducidas por voladuras producen movimientos en las partículas del terreno que pueden ocasionar efectos negativos sobre las estructuras y personas que se encuentren en ellas, siendo la velocidad de estos movimientos el criterio más utilizado para establecer los límites admisibles que podrían evitar daños. Los primeros métodos para predecir vibraciones fueron fórmulas analíticas que obtienen los niveles de vibración en medios constituidos por rocas, a partir de la correlación entre la velocidad máxima de partícula, la máxima carga explosiva y distancia entre la explosión y el punto de medición, pero sin considerar la respuesta dinámica del terreno ni los movimientos de sus partículas. Posteriormente, con el surgimiento de los métodos de modelación numérica, no solo se puede predecir las vibraciones en un medio cualquiera, considerando su respuesta ante los efectos dinámicos de las voladuras, sino que permiten calcular las velocidades y aceleraciones de las partículas, así como los desplazamientos y esfuerzos que se producen en cualquier punto del terreno. La metodología que se presenta en este trabajo se basa en realizar voladuras de prueba para obtener, mediante mediciones con sismógrafos, los registros de velocidad o aceleración contra tiempo, que son introducidos en un programa de análisis dinámico para calcular, entre otros parámetros, las velocidades, aceleraciones y desplazamientos de las partículas en el terreno. Con estos resultados, la metodología propone realizar un análisis comparativo entre la velocidad de partícula calculada y el valor límite para evitar daños, que establecen las normas. Los resultados de la aplicación de la metodología en el proyecto de ampliación de una planta industrial en Baja California, México, sustentan las siguientes conclusiones y recomendaciones:
• Los valores máximos permisibles de velocidad de partícula definidos utilizando diferentes normas, son muy variables (Tabla 8). Esto ratifica la importancia de realizar estudios específicos de daños que incluyan evaluaciones detalladas del terreno y las estructuras, por parte de especialistas, para seleccionar el valor más adecuado a utilizar en cada proyecto.
• Las velocidades de partícula obtenidas mediante modelación dinámica en algunos puntos ubicados debajo de la estructura (C y D), superan o están muy cerca de los valores máximos admisibles para evitar daños.
Atendiendo a estos resultados, se recomendó rediseñar el proceso de voladura considerando reducir las cargas y el intervalo de tiempo o retardo que transcurre entre detonaciones sucesivas, así como diseñar e implementar un programa de instrumentación y monitoreo de las vibraciones que se producirán en la estructura durante el proceso de voladura.
Agradecimientos
Los autores manifiestan su agradecimiento a la Universidad de las Californias Internacional, México, y a la Empresa Constructora Makro, México, por la oportunidad de participar en el proyecto que sirvió de base para la realización de este trabajo.
7. Referencias bibliográficas
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Notas de autor
aldo.oliva@udc.edu.mx
