Becerra Goicochea, Rafael

Palacios Herrera, Jimmy

Vargas Yupanqui, Cristhian

15-4-2012

VIBRACIONES Y EXPLOSIÓN

En su práctica profesional, el ingeniero civil tiene muchos encuentros diferentes e

importantes con el suelo. El ingeniero civil utiliza el suelo como cimentación de

estructuras y terraplenes; utiliza el suelo como material de construcción; debe diseñar

estructuras de retención para excavaciones y aberturas subterráneas; y encuentra el

suelo en un gran número de problemas especiales. En el desarrollo de dichas tareas, el

ingeniero se basa en la Mecánica de Suelos, que es una disciplina que organiza de

manera sistemática los principios y el conocimiento de las propiedades ingenieriles

del suelo. La Dinámica de Suelos es una parte especializada de la Mecánica de

Suelos que trata sobre el comportamiento del suelo y la respuesta de masas de suelo

durante la aplicación rápida de carga, el uso de vibraciones para mejorar las

propiedades ingenieriles del suelo y el uso de transmisión de ondas para evaluar las

propiedades del terreno.

En este capítulo se presenta la naturaleza de los problemas que involucra la dinámica

de suelos, ilustrando su aplicación mediante casos prácticos.

1.1 CIMENTACIÓN DE MÁQUINAS

Una máquina que produce vibraciones o fuerzas dinámicas desbalanceadas está

apoyada en un bloque de cimentación estructural, que reposa en el suelo. Las

fuerzas dinámicas de las máquinas causan movimientos en el bloque de

cimentación, que si son excesivos pueden:

1. Imponer condiciones no confortables o imposibles de soportar en el Personal

que trabaja cerca de la máquina.

2. Causar daño a la máquina o tuberías de conexión.

3. Producir grandes asentamientos en la cimentación que pueden impedir

el funcionamiento apropiado de la máquina.

Los movimientos del bloque de cimentación adicionalmente serán

transmitidos a través del terreno a edificaciones o maquinarias adyacentes,

pudiendo causar movimientos no confortables o dañinos en dichas edificaciones,

o pueden causar asentamientos en la cimentación de dichas edificaciones.

La dinámica de suelos tuvo sus comienzos en Alemania, en 1930, cuando los

ingenieros de DEGEBO (Deutsche Forschungsgesellschaft fur Bodenmechanik)

empezaron las primeras investigaciones científicas de problemas de cimentación de

maquinaria. Aunque se desarrollaron importantes trabajos teóricos fundamentales en

dicha época, el enfoque inicial del estudio estaba basado en correlaciones empíricas

entre comportamientos y velocidad sísmica a través del suelo.

En los Estados Unidos y Europa Occidental se utilizaron dichas y otras correlaciones

hasta los años 50. Se realizó un excelente trabajo de relación de comportamiento

observado y teoría fundamental en la Unión Soviética, comenzando en el año 1930,

pero no se conoció en el mundo occidental sino hasta el año 1960.

En los Estados Unidos se logró durante los años 1955 a 1965 un conocimiento

fundamental de la relación entre comportamiento, teoría y propiedades esfuerzo-

deformación del suelo, principalmente debido al apoyo e interés del gobierno federal

en cimentaciones de antenas grandes de radar.

La cimentación de maquinaria es el problema más frecuente en dinámica de suelos,

los libros iniciales en esta materia tratan dicho tópico (Barkan, 1962; Major, 1962;

Richart et al, 1970).

Maquinaria Reciprocante y Rotati v a

Las máquinas, tales como compresores y motores grandes, ocasionan fuerzas

dinámicas que varían sinusoidalmente, resultando en movimientos de la cimentación.

Cuando recién se instala una turbina bien diseñada, se originan fuerzas dinámicas

pequeñas. Sin embargo, el desgaste conduce a desbalance en las partes rotativas,

por lo que se desarrollan fuerzas dinámicas.

Ya que los turbo-compresores pueden ser dañados por movimientos dinámicos

pequeños de sus apoyos, o por pequeños asentamientos diferenciales de los mismos,

se debe realizar un cuidadoso diseño de los apoyos. Para facilitar las conexiones de

tubería, este compresor está apoyado por encima de la superficie del suelo mediante

un pórtico de acero o de concreto. El pórtico debe ser diseñado para evitar la

resonancia entre la frecuencia natural del pórtico y las frecuencias de operación de la

máquina. Como ejemplo se presenta el caso de un pórtico de concreto apoyado en

una platea de cimentación. El suelo consiste de 4 metros de relleno hidráulico (arena),

sobre un depósito profundo de arena ligeramente cementada.

A menudo el ingeniero geotécnico es consultado solamente cuando la maquinaria ya

ha sido instalada y se han desarrollado los problemas.

Como ejemplo se tiene un compresor de gas de tipo pistón que está apoyado sobre

un bloque masivo de concreto de cimentación, que descansa en arena media a

densa. Tales máquinas desarrollan fuerzas dinámicas desbalanceadas asociadas con

la aceleración de subida y bajada del pistón; las magnitudes de dichas fuerzas

pueden ser estimadas con bastante precisión. En este caso, con el compresor en

operación, los trabajadores de la fábrica notaron que los movimientos de la

cimentación eran excesivos. Se desarrollaron grietas en las paredes del local del

generador adyacente. El ingeniero de suelos que fue contratado para recomendar las

medidas correctivas debería responder a las siguientes interrogantes:

1. ¿Cómo deberían medirse los movimientos dinámicos para establecer la razón del

movimiento excesivo?

2. ¿Cuál es la mejor medida de reducción del movimiento, el incremento de la masa

o el incremento de la rigidez de la cimentación?

3. Si se indica el incremento de la rigidez, ¿es mejor calzadura o grouting?

4. ¿En cuánto pueden reducirse los movimientos con las medidas de corrección

recomendadas?

Las mediciones realizadas con un sismográfo portátil de tres componentes, localizado

sucesivamente en diferentes puntos del bloque de cimentación, mostraron que los

movimientos resultaron principalmente del cabeceo alrededor de un eje horizontal.

Cálculos simples demostraron que la frecuencia natural en cabeceo era

aproximadamente igual a la frecuencia de operación del compresor.

El incremento de la rigidez de la cimentación se indicó como la mejor solución y los

ensayos de laboratorio en la arena mostraron que esto podría ser logrado

económicamente al inyectar en el suelo una solución de silicato de sodio, seguida por

una solución de cloruro de calcio. Estas dos sustancias químicas reaccionaron para

formar una solución gel que unió los granos de arena.

Como resultado del tratamiento, la amplitud de vibración se redujo a un sétimo del

movimiento original.

Otras Maquinarias Industriales

Existe una gran variedad de otros equipos industriales que causan cargas dinámicas

en las cimentaciones, tales como: prensas, vibradores, etc. El problema de diseñar o

mejorar la cimentación de dichas maquinarias es similar a aquél para maquinaria

reciprocante o rotativa, con la diferencia que las cargas pueden no ser sinusoidales o

periódicas.

Desarrollo de la Era Espacial

Una clase de problema de cimentación de maquinarias, especializada pero

importante, consiste en proporcionar una cimentación adecuada para antenas de

radar de gran precisión. Las fuerzas dinámicas ocurren conforme la antena se acelera

o desacelera, en elevación o en azimut. Es necesario asegurar que los movimientos

de la cimentación, ya sea movimientos dinámicos o asentamientos acumulados, no

causen errores agudos, y que las frecuencias resonantes del sistema antena-

estructura-cimentación no caen dentro del ancho de banda de operación del

servomecanismo de control de la antena.

Se ilustra una antena muy grande, con una antena tipo plato, apoyada sobre cuatro

pies de acero. Un par de ruedas en la base de cada pie corren en una pista circular

de

113 pies de diámetro, por lo tanto la superestructura rota alrededor de un eje vertical.

La pista descansa en un anillo de concreto. El suelo es una arena gravosa media a

densa, compuesta por fragmentos de coral.

Una estructura muy especializada se utilizó en la plataforma del encendido de las

diversas etapas del cohete Saturno V en las Misiones Apolo. Estas plataformas

estaban apoyadas en pilotes de fricción en arenas y arcillas. Una pregunta importante

fue: ¿Causarán las vibraciones producidas por el lanzamiento una penetración

adicional de los pilotes?. El emplazamiento y diseño de los centros de control y otras

estructuras cerca de las plataformas de lanzamiento han requerido el estudio de la

transmisión de ondas a través del terreno y los métodos de aislamiento de

edificaciones contra la vibración.

También ha existido el requisito de verificar el comportamiento de los componentes

precisos de guía, como los giroscopios. Para estas plataformas deben conocerse las

vibraciones ambientales del tráfico y de los microsismos, para minimizarlos o para

aplicar las compensaciones adecuadas.

1.2 EFECTOS DE EXPLOSIÓN NUCLEAR

El estudio de los problemas civiles y militares ocasionados por el desarrollo de las

explosiones atómicas, ha dado un mayor ímpetu a la investigación en la dinámica

de suelos.

Aplicaciones Civiles

Las explosiones nucleares tienen un gran potencial para su utilización en

la excavación rápida de grandes masas de tierra, tales como: canales, puertos y

cortes profundos y largos para carreteras y ferrocarriles. Sin embargo, la

realización de este potencial se ha impedido por la política internacional y la

preocupación pública sobre el daño posible de la radioactividad.

Se ha dado considerable atención al uso posible de la energía nuclear en la

creación de un Canal de Panamá a nivel del mar. Aunque mucho del material

excavado sería en roca dura, la mayor parte sería en arcillas lutáceas fuertemente

sobreconsolidadas, del tipo estudiado por los ingenieros de suelos.

Construcci ón de Protección

Las estructuras subterráneas de protección diseñadas para soportar

explosiones indirectas de bombas nucleares varían, desde personales hasta

bases para misiles balísticos intercontinentales. Para el diseño de una base

ICBM se debieron absolver las preguntas sobre los efectos de una gigantesca

explosión cercana:

1. ¿Cuánto movimiento vertical y horizontal ocurrirá en los sitios de las

estructuras?

2. ¿Cuán grandes serán los esfuerzos verticales y horizontales sobre la

estructura en profundidad?

3. ¿Cuánto aumenta la capacidad de carga de las estructuras por la

interacción suelo-estructura?

4. ¿Cómo se deberían diseñar las conexiones entre las estructuras para soportar

los desplazamientos relativos transitorios?