Ingeniería
y sus alcances, Revista de Investigación
Https://doi.org/10.33996/revistaingenieria.v2i4.24
Septiembre - Diciembre, 2018
Volumen 2 / No. 4
ISSN: 2664 – 8245
ISSN-L: 2664 - 8245
pp. 142 - 150
Determinación
de daños generados por vibraciones en una estructura de mampostería y concreto
armado
Determination of damage generated by vibrations in a
masonry and reinforced concrete structure
Carla
Begoña Alvarado Gómez María José Cristancho
Acosta
cbalvaradog@gmail.com mariajcristancho@gmail.com
Universidad
de Carabobo, Venezuela
Artículo
recibido mayo 2018 | Arbitrado en junio
2018 | Publicado en septiembre de 2018
RESUMEN
La presente investigación tuvo como propósito determinar la existencia
de daños ocasionados por vibraciones en una estructura de mampostería y
concreto armado, mediante la utilización de acelerómetros como fuente de
medición de las excitaciones producidas en la estructura, los cuales, vienen
pre-instalados en dispositivos celulares. Esta información es procesada
utilizando el software Seismosignal v4.3, que provee
las gráficas de aceleración, velocidad y desplazamiento de la partícula en
movimiento en cualquier instante de tiempo durante la medición. Se usó la
teoría de las rigideces, para analizar la concentración de tensiones producidos
por los desplazamientos en los puntos reales de medición. Los valores de
vibración resultantes de la aplicación de la fuerza sobre la estructura fueron
procesados, traducidos en valores de velocidad máxima de partícula y parámetros
de interés, para ser contrastados con los estándares permitidos por las normas
DIN 4150 y SN 640312, resultando estar dentro de los parámetros normales
máximos de las mismas, teniendo en cuenta que con un margen del 30% por encima
de los valores fijados por dichas normativas, significa un pequeño aumento en
la probabilidad de daños mínimos.
Palabras clave: Vibraciones,
Acelerómetro, velocidad de partícula
ABSTRACT
The purpose of this research was to determine
the existence of damage caused by vibrations in a masonry and reinforced
concrete structure, using accelerometers as a source of measurement of the
excitations produced in the structure, which are pre-installed in cellular
devices. This information is processed using Seismosignal
v4.3 software, which provides the acceleration, velocity and displacement
graphs of the moving particle at any instant of time during the measurement.
The stiffness theory was used to analyze the concentration of stresses produced
by displacements at the actual measurement points. The vibration values
resulting from the application of force on the structure were processed,
translated into values of maximum particle speed and parameters of interest, to
be contrasted with the standards allowed by the DIN 4150 and SN 640312
standards, resulting in being within their maximum normal parameters, taking
into account that with a margin of 30% above the values set by said
regulations, it means a small increase in the probability of minimum damage.
Key words: Vibrations;
Accelerometer; particle speed
INTRODUCCIÓN
Actualmente, en la ingeniería estructural (Valencia,
Guidiño, y Díaz, 2006), el
tema que mayor importancia ha recibido es el análisis de las vibraciones
causadas por los movimientos de placas tectónicas, por su alta peligrosidad (Ramírez-Durán y
Urgellez-Cardoza, 2011). A
pesar de que existen otros tipos de causas de vibración, como las de origen
antrópicas, que también interactúan con las estructuras. En países como Canadá,
Estados Unidos y Alemania existe gran cantidad de investigaciones y diferentes
normatividades sobre fenómenos de vibración relacionados con las actividades
humanas, abriendo un nuevo escenario llamado: relación Humano – Estructura (Arias-Castro
y Martínez-Oropesa, 2016).
En Venezuela no existen normativas o manuales referentes
al manejo de la problemática o modo de proceder en cuanto al control de
vibraciones causadas por la actividad humana, partiendo de la comparación de
umbrales. Debido a esta realidad, es indispensable realizar estudios de
investigación y nuevos aportes en las ciencias que estudian la relación del ser
humano con su entorno y técnicas de información, para así disminuir el impacto
de los eventos tanto naturales como antrópicos, que inciden directamente en la
sociedad.
Por lo tanto, la presente investigación tiene como objeto
determinar la existencia de algún tipo de daño en una estructura aporticada de mampostería y concreto armado o su ocurrencia
futura, con el fin de informar del alcance y los efectos dinámicos, sobre la
totalidad de la estructura y de su influencia sobre la sensación de inseguridad
del personal de trabajo en la planta de alimentos. De igual manera, la
intención de este trabajo es que sea utilizado como herramienta base para la
buena práctica y conducción de problemas de vibraciones en estructuras.
METODOLOGÍA
Levantamiento
geométrico de la estructura
A partir de información fotográfica y medidas tomadas en
sitio del pórtico en estudio, se realiza el levantamiento geométrico, tomando
como referencia las medidas de un bloque de concreto con dimensiones nominales
de 20x20x40 cm (Pérez, Cabanillas, Hinojosa, y Borbón, 2011).
Modelaje
del Pórtico
Para la elaboración del modelo, se utiliza el software
SAP 2000 V20 (Alvarado y Cristancho, 2018). Al no existir una norma venezolana que trate
específicamente sobre bloques de ventilación, se puede utilizar la Norma
COVENIN 42-82 “Bloques huecos de concreto” (COVENIN, 1982) como referencia para
clasificarlo y hacerlo cumplir con una serie de requisitos de apariencia y acabado,
químicos y mecánicos. Las propiedades del mortero, se consideran a partir de,
la Norma ASTM-C270 (ASTM, Standard Specification
for Mortar for Unit Masonry) American Society for
Testing and Materials
(Sociedad americana para ensayos y materiales, ASTM), que establece la
resistencia a la compresión según su uso.
Para el caso que los elementos cumplen con los requisitos
mínimos establecidos en las normas respectivas, se parte de la clasificación de
los bloques de acuerdo a los agregados y según su uso como bloques semipesados
y de tipo A1. De igual manera se considera un mortero tipo N (mortero de
mediana resistencia para uso general en mampostería, paredes internas y
divisiones,
mampostería, paredes internas y divisiones, combina resistencia, trabajabilidad y economía), según lo establecido en la
Norma ASTM C-270 (ASTM, Standard Specification for Mortar for
Unit Masonry).
En los extremos de la estructura se tienen perfiles
metálicos definidos como columnas HEA-200, medidas directamente en sitio. La
resistencia a compresión del concreto de los elementos como vigas de corona y
columnas o machones se fija a partir de un ensayo de índice de rebote
(esclerómetro Schmidt) (Liniers, 1982) cumpliendo con los
procedimientos establecidos en la Norma ASTM C-805-02 “Standard Test Method for Rebound
Number of Hardened
Concrete” (ASTM, ASTM C805 - 02.
Standard Test Method for Rebound Number of Hardened Concrete, 2002) , obteniendose como resultado de la correlacion
de la resistencia elástica y de la resistencia a compresión un f´c= 180 kgf/cm2 con
una dispersión máxima ± 57 kgf/cm2.
Antes de proceder al modelaje de la estructura aporticada de mampostería y concreto armado, se establece
una relación del elemento sólido de un bloque con un elemento área, a partir de
las rigideces y deformaciones por carga a las que se somete en condiciones
reales dicho elemento. Una vez establecida la relación proporcional del
elemento solido con el elemento tipo Shell, se procede a la elaboración de un
modelo matemático de la estructura de mampostería y concreto armado, basada en
una discretización por el método de elementos
finitos, definiendo pequeñas áreas rectangulares que darían forma al diseño de
cada bloque y junta dentro del pórtico,
con el objetivo de realizar una simulación del comportamiento dinámico de la
pared. Las principales propiedades dinámicas obtenidas, fueron las frecuencias
naturales de vibración de la estructura y sus configuraciones modales
asociadas.
Se presenta el paso a paso de la metodología de
elaboración del modelo numérico de la locación donde se efectuaron las
mediciones, en Software SAP 2000 (Alvarado y Cristancho, 2018):
1. Definición de los materiales: debe ser el especificado el
material a utilizar, el espectro varía entre: concreto, acero, bloques,
mampostería, etc, introduciendo correctamente las
especificaciones de cada material.
2. Definición
de las propiedades de las secciones: Se especifican las secciones tipo frame para los elementos estructurales y tipo área para la mamposteria.
3. Se define la fuente de masa, debido a la masa de los
elementos
4. Se procede a definir la grilla base sobre la cual serían
modelados todos los elementos previamente definidos, tomando en cuenta las
dimensiones de los bloques, el tamaño promedio de las juntas entre los mismos y
el eje central de los elementos tipo viga y columna
5. El procedimiento siguiente consistió en rellenar la
grilla base con los elementos tipo shell que
conforman la estructura, como también con las vigas, columnas y machones
definidos como elementos tipo frame. Además de la
adición de los puntos de estudio donde fueron tomadas las mediciones de aceleración.
Registro
de mediciones
Para
la recaudación eficiente de datos, se procede a fijar los dispositivos móviles
a una caja de seguridad elaborada en madera con cierre a presión, la cual, fue
previamente
conectada a la estructura mediante tornillos de anclaje.
Luego
de creación de distintos modelos de datos y creación de archivos de medición de
prueba por parte de los equipos involucrados, fue iniciado el proceso de toma
de datos, procurando que el tiempo de inicio fuera el mismo para todos los
dispositivos. Con lo cual, se procedió a dar luz verde al proceso de excitación
de la estructura mediante el golpeteo del monta cargas.
En
esta etapa se realizaron registros de aceleración causada por la operación de
la maquinaria, con el fin de evaluar el nivel de vibración que se presenta en
la pared en condiciones actuales de operación, tomando lecturas en puntos
estratégicos localizados en la pared.
Equipos
Teléfonos
celulares con acelerómetros. Los registros para los diferentes puntos en la
estructura se tomaron a partir de la aplicación Science
Journal
Sitios
de medición
Se ubicaron los equipos en tres puntos estratégicos y
susceptibles a la vibración en la pared, mediante soportes permitiendo la
fijación de los mismos, procurando obtener mediciones exactas y evitar la
ocurrencia de resultados erróneos. Los lugares exactos de los puntos de
medición se encuentran en (Alvarado y Cristancho, 2018). Posteriormente a indicaciones dadas al operador,
encargado de la maniobra y acción del monta-cargas se generó una interacción
entre este y las zonas cercanas a los puntos establecidos.
Tiempo de medición
El
tiempo abarcó aproximadamente tres (3) minutos.
Variables de medición
Debido a que las
vibraciones constituyen un movimiento espacial, han sido registradas mediciones
de las mismas, en tres direcciones sensiblemente ortogonales, correspondientes a:
·
Az:
aceleración vertical (perpendicular al plano de la pared).
·
Ax:
aceleración longitudinal.
·
Ay: aceleración transversal.
Procesamiento
de datos
Para cada locación se realizó un (1) registro con los
tres (3) acelerómetros (ISO, 2003) en las posiciones anteriormente
señaladas. Los registros se efectuaron en los instantes donde la maquinaria
operaba. En la toma de datos in situ se almacenaron registros de aceleración en
el tiempo. Tomando los registros y calculando su respectivo espectro de Fourier
(Espada, y otros, 2003) mediante el software
Seismosignal y así determinar el modo de frecuencia
dominante.
El
procesamiento de los datos comienza tomando los registros obtenidos por los
equipos y ordenándolos en un archivo Excel para luego crear archivos con
extensión *.txt.
Interpretación
de datos
Las
vibraciones se registraron como componentes en tres (3) direcciones ortogonales
(Bravo, 1989). Con el objeto de
caracterizar las vibraciones inducidas sobre la estructura, en este trabajo se
utilizaron los siguientes parámetros característicos de la vibración:
·
Valor pico de la
aceleración, velocidad y desplazamiento (como la señal en el tiempo) de su
mayor componente.
·
La frecuencia dominante de
la vibración, obtenida a través de un espectro de frecuencias de la señal.
·
De ocurrir una situación en
la que un registro presente varios picos de aceleración de vibración del mismo
orden y con diferentes frecuencias, se debe considerar la menor de las mismas.
Esta circunstancia queda cubierta al ser efectuado un análisis de Fourier para
generar el espectro.
De las tres componentes registradas fue seleccionada la dirección z,
ortogonal al plano de la pared (az), por ser la que
presenta niveles de magnitud sensiblemente superiores a las componentes
longitudinal (ax long) y
transversal (ay trans); donde se produjo además la
circunstancia de que dicha componente vertical, fue la más sensible en lo que
respecta a la incomodidad de las personas y para la que, además se presume
posibles causa de daños estructurales.
Análisis por elementos
finitos
Se procedió a realizar una aproximación sucesiva para
encontrar el valor de la fuerza generada en la estructura, específicamente en
la viga de corona simulando la acción del monta cargas y la separación de sus
paletas (una distancia de 80 cm) distribuidos en dos puntos, con el fin de que
se registrara en zona de medición el valor del desplazamiento máximo obtenido
con el uso del software Seismosignal v4.3, cuyos
valores resultantes fueron de 3000 kgf, los mismos
fueron añadidos a un patrón de carga y a un caso de carga, ambos definidos como
Fy, por ser esta su dirección de aplicación.
Una vez cargadas todas las características del caso de
carga a estudiar, la fuerza generada en la parte superior del pórtico, así como
los elementos que conforman la estructura, se procedió a realizar la corrida
del modelo. Discretizando según el caso de estudio,
en el apartado “Set Analysis Cases to Run”.
Análisis
del estado límite de vibración
En
esta etapa se realiza un análisis del nivel de vibración que se produce en la
estructura, comparando los niveles máximos de velocidad de partícula obtenidos
a partir del uso del software Seismosignal v4.3, con
los límites permisibles de vibración, con el fin de establecer el
comportamiento estructural del pórtico y la sensible percepción de las personas
que operaran en el sitio.
La
normativa DIN 4150 (DIN, 2002), en su parte segunda
trata sobre los efectos de las vibraciones de diversos orígenes sobre las
personas y permite obtener un valor empírico
para la intensidad de la percepción conocido por KB (González, 2013). La norma DIN 4150 (DIN, 2002), establece los
valores máximos de velocidad de vibración (en mm/s) en función de la
frecuencia, para que no se observen daños en diferentes tipos de edificaciones
(comercial, viviendas, edificios, industrias).
De igual manera, la norma SN 640312 (Alvarado y
Cristancho, 2018), creada
específicamente para vibraciones, establece los valores máximos de velocidad
dependiendo de la susceptibilidad de la edificación, la frecuencia de las
solicitaciones y la frecuencia dominante.
RESULTADOS
Y ANÁLISIS
Como
se mencionó anteriormente, la señal de la que derivaran todos los resultados
será en la dirección z, ortogonal al plano de la pared (az),
por ser la que
presenta niveles de magnitud sensiblemente superiores a las
componentes longitudinal (ax long)
y transversal (ay trans).
El
procesamiento de señales se realizó mediante el uso del software Seismosignal v4.3, desde donde se obtuvo para cada punto,
valores de aceleración, velocidad, desplazamiento y espectro de fourier, para obtener la frecuencia.
Criterios
estructurales
La
Norma DIN 4150 (DIN, 2002) establece los
valores indicativos en la tabla 3, desde donde se fijan las características de la
estructura estudiada según su uso, partiendo
de la línea 1, donde se tienen edificaciones del tipo industrial y la velocidad
de partícula en el plano horizontal superior, como variables propias del
pórtico. La velocidad máxima de partículas de 40 mm/s, valor bajo el cual se
elimina cualquier sospecha de daño estructural.
En la presente investigación se asumieron las velocidades
de partícula de comparación con el plano horizontal superior de la estructura,
conociendo que la esbeltez y altura del pórtico condicionarían los
desplazamientos y oscilaciones más desfavorables en la parte superior de la
misma.
En la Normativa Suiza SN 640312 (Alvarado y
Cristancho, 2018) se establecen las
velocidades pico de partícula máximas permitidas de acuerdo a la susceptibilidad
de la construcción ante las vibraciones (Susceptibles y poco susceptibles) y la
frecuencia u ocurrencia de las vibraciones.
La clasificación
del tipo industrial de la estructura condiciona la evaluación dentro del
contexto de la norma mencionada como una edificación poco susceptible a daños
por vibraciones, además de establecerse la ocurrencia de la excitación debido a
los golpes de forma ocasional, con lo cual, al interceptarse con los valores de
frecuencia menores de 30 Hz, derivan en un valor de velocidad normal permitida
de 30 mm/s.
Así mismo, se conoce que las normas asumen diversos
factores de seguridad a la hora de estimar los valores máximos permisibles y
dentro de las especificaciones de uso de cada estructura,
razón por lo cual, son flexibles en cuanto a la estimación de daños. En los
casos de estudio de estructuras sin ningún daño visible, se extiende el valor
máximo de velocidad permitido hasta el 30% más del valor indicado en la tabla,
estableciéndolo como un límite sensible a la condición de la estructura. Con la
obtención de valores del doble del permitido, los daños esperados serian
fisuras pequeñas de tipo superficial, multiplicando por 3 el valor máximo
esperado se esperarían fisuras continuas y daño estructural dentro de la
construcción.
De
acuerdo a lo mencionado anteriormente, los valores obtenidos en cada punto de
medición de velocidad vertical pico fijados, se encuentran dentro del rango de
extensión de aceptación (valores hasta 30% por encima del máximo), establecidos
por la Norma DIN 4150 (DIN, 2002), y al valor límite
con la norma suiza SN 640312 (Alvarado y Cristancho, 2018).
Criterios
psicológicos
Dentro
de este apartado se clasifica la vibración inducida en la estructura debido a
la percepción humana, en el caso particular de la investigación en curso, se
somete a revisión la edificación debido a la presencia de trabajadores en el area de funcionamiento del pórtico estudiado.
La
Norma DIN 4150 (DIN, 2002) en su parte 2 editada
en 1999, caracteriza y define la intensidad de la percepción
humana de las vibraciones debido a un parámetro conocido como
KB, el cual depende directamente de la frecuencia fundamental de la estructura,
así como de la amplitud (d), variable que puede ser obtenida al conocer la
velocidad de partículas máxima, asi como la
aceleración presentada dentro de la edificación producto de una excitación. La
amplitud (d), es relacionada con la velocidad o aceleración.
El valor KB que se obtiene de este cálculo debe
compararse con los valores del criterio de aceptación teniendo en cuenta
factores como el uso del edificio, la frecuencia de ocurrencia de las
vibraciones, la duración de los efectos y el momento del día en que se produce la
vibración.
Debido
al uso de la estructura del tipo industrial, así como la frecuencia ocasional
de las vibraciones y el tiempo en el que se realizan las excitaciones (de día),
el valor de Kb permitido es de 12. Al compararlos con los valores obtenidos de forma experimental con las excitaciones
inducidas, se determinó que los resultados están dentro del límite de lo
establecido en la norma, de forma que las vibraciones observadas en la
edificación están dentro de los parámetros aceptables de intensidad de
percepción.
Criterios
de productividad
El
uso de la estructura en estudio consiste en ser un apoyo para estantes de
almacenamiento de producto terminado (sacos de alimentos para animales), así
como una pared divisoria entre el área de depósito y el área de mantenimiento
de la planta. La edificación a pesar de sus tres décadas de construcción, así
como su cambio de uso con el paso del tiempo, no presenta ningún tipo de falla
visible. Las vibraciones inducidas por el golpeteo del monta cargas de forma
ocasional solo han generado movimientos oscilatorios mínimos percibidos por
trabajadores, experimentalmente se ha demostrado que dichas vibraciones entran
dentro de los rangos de observación permisibles y así mismo, la funcionalidad
de la estructura sigue intacta, de forma que dichas vibraciones no afectan la
productividad de la planta, ni comprometen ningún equipo dentro de la empresa.
CONCLUSIONES
Se elaboró el modelo matemático de la estructura de
mampostería y concreto armado, basada en la discretización
por el método de elementos finitos, dando como resultado la simulación del
comportamiento dinámico de la pared.
Los
valores de vibración resultantes de la aplicación de la fuerza sobre la
estructura fueron procesados, traducidos en valores de velocidad máxima de
partícula y parámetros de interés, para ser contrastados con los estándares
permitidos por las normas DIN 4150 y SN 640312, resultando estar en el límite
de los parámetros normales máximos de las mismas, teniendo en cuenta que un
margen del 30% por encima de los valores fijados por dichas normativas,
significa un pequeño aumento en la probabilidad de daños mínimos, en forma
experimental y en forma física, traducido como la percepción humana del
movimiento de la estructura.
En
el caso del análisis por elementos finitos para el estudio de las tensiones de
Von Mises dentro de la estructura, mediante la aplicación de un caso de carga
que simulaba el desplazamiento máximo obtenido de la traducción de la señal excitadora
se obtuvo, que el 95% de la estructura está sometida a tensiones de
carácter bajo, que no provocan ningún
tipo de riesgo a la misma; sin embargo existe un mínimo porcentaje representado
por el 5% de la concentración de tensiones, ubicado en las zonas de
empotramiento de las columnas, en donde se presentan valores elevados de
tensión, los cuales indican que de producirse algún agrietamiento o fisura en
el futuro, vendría dado por la repetición asidua de las vibraciones en el
pórtico en un tiempo muy prolongado y comenzaría en la zona inferior de la
estructura, cercana a los empotramientos de las columnas.
Con
base en la investigación realizada y en observaciones directas se concluye que
la estructura no presenta ningún tipo de daño superficial, ni continuo, además,
la excitación a la que es sometida de forma ocasional, puede ser perceptible
para el ser humano, mas no indica ningún riesgo de falla de la misma. Asimismo,
los valores de velocidad experimentados por los puntos críticos del pórtico,
entran dentro de los estándares normativos, permitiendo concluir que la
estructura no está próxima a sufrir ningún tipo de irregularidad o fallo
estructural debido a la causa en estudio, si se mantienen las mismas
condiciones de operación.
REFERENCIAS
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