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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
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SISTEMA DE REGISTRO ACELEROGRÁFICO PARA EL MONITOREO ESTRUCTURAL DE UN
TRAMO ELEVADO DE LA LÍNEA 12 DEL METRO
Luis A Aguilar, Mauricio Ayala, David Murià, Juan M Velasco, David Almora, Gerardo Castro, Israel Molina, Alejandro Mora, Miguel Torres, Ricardo Vázquez
RESUMEN
Este trabajo presenta el diseño de una red de instrumentos sísmicos y de monitoreo estructural permanente en
un tramo elevado típico de la Línea 12; también conocida como línea dorada del Sistema de Transporte
Colectivo Metro, ubicada en el sur de la ciudad de México, cruza las delegaciones Benito Juárez, Coyoacán,
Iztapalapa y Tláhuac conectando las zonas Oriente y Poniente, con el objeto de contar con datos
instrumentales que permitan, elaborar los programas de operación y mantenimiento de la estructura, así como
detectar daños estructurales no visibles, pero sobre todo corregir comportamientos inadecuados de elementos
estructurales.
ABSTRACT
This paper presents the designed network of seismic instruments for the structural monitoring of a typical
elevated section of Line 12; also known as the Golden Line of the System of Collective Transport-Metro, it is
located in southern Mexico City and runs through the boroughs of Benito Juárez, Coyoacán, Iztapalapa and
Tláhuac connecting the eastern and western zones of the city. It was implemented to have instrumental data
that will aid in the development of operation and maintenance programs of the structure, as well as for
detecting non-visible structural damage, but mostly to correct inappropriate behavior of the structural
elements.
ANTECEDENTES
El Gobierno del Distrito Federal (GDF) por conducto del órgano desconcentrado Proyecto Metro del Distrito
Federal (PMDF) y la Universidad Nacional Autónoma de México (LA UNAM) han firmado un convenio
general de colaboración con el objeto de realizar proyectos y trabajos conjuntos en materia de docencia,
investigación, difusión de la cultura y otras en beneficio de las partes, cuyas particularidades se definirán en
convenios específicos de colaboración que celebren “LA UNAM” y las dependencias interesadas de “EL
GDF”.
Uno de los convenios en específico firmado es el referente a los trabajos relativos a la “Pruebas de Campo e
Instrumentación Permanente en un sitio Típico del Tramo Elevado de la Línea 12 del Metro”, con el fin de
que permita tener datos confiables que ayuden a comprender mejor el comportamiento del tramo elevado ante
la acción dinámica del paso de los trenes, así como ante la acción de un sismo. La información y experiencia
que se obtenga de esta vía elevada, contribuirán a mejorar las soluciones para futuras obras de este tipo
desplantadas sobre suelos blandos, que deberán abordarse para atender las necesidades de transporte en la
ciudad de México.
INTRODUCCIÓN
El estudio de la respuesta sísmica de estructuras ubicadas en la zona metropolitana del valle de México es de
vital importancia, debido a la gran densidad poblacional y a las características de esta zona del país. Por otro
lado, la construcción de nuevas obras de vialidad y transporte cada vez están requiriendo novedosos sistemas
de construcción y diseño, lo que obliga a conocer, ante el fenómeno sísmico, el comportamiento de dichas
estructuras tomando como referencia la información obtenida por el registro instrumental. Una de estas obras
es la expansión del Sistema de Transporte Colectivo Metro, por medio de la construcción de la Línea 12, la
cual atraviesa las delegaciones Benito Juárez, Coyoacán, Iztapalapa y Tláhuac; con un desarrollo de 20
estaciones que van de Mixcoac a Tláhuac, diseñadas en cuatro soluciones geotécnicas diferentes: Túnel
profundo, cajón subterráneo, cajón superficial y porción elevada.
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El tramo elevado de la Línea 12 del Metro es el más largo de la misma (aproximadamente 12 km). Su
construcción implica un reto para la ingeniería por la complejidad de los diversos aspectos técnicos y físicos
que habrá que atender al tener que desplantarse sobre uno de los suelos más blandos del valle de México, así
como por las limitaciones de espacio para sus cimientos y por la respuesta sísmica del sitio.
Por las características de los suelos y de la estructura, hay diversas incertidumbres que hacen conveniente
disponer de una instrumentación que permita tener datos confiables que ayuden a comprender mejor el
comportamiento del tramo elevado.
El tramo seleccionado se localiza en la Avenida Tláhuac, Colonia Lomas Estrella, de la delegación Iztapalapa,
entre las calles circuito Bahamas y camino de los viveros, en el cadenamiento 14+924 (columna CC-5) y el
14+954 (columna CC-6). La figura 1 muestra un croquis de localización del tramo instrumentado.
Figura 1. Croquis del tramo instrumentado
Dada la relevancia de la obra y como la extensión de la misma exige varios apoyos a lo largo de muchos
kilómetros, se ha considerado importante verificar experimentalmente en campo, tanto a corto como a largo
plazo, las estimaciones reales del comportamiento de un tramo de la estructura elevada, bajo las acciones
dinámicas que imponen los eventos sísmicos. Con este motivo el Instituto de Ingeniería de la UNAM,
propone la instalación de una red de instrumentación acelerográfica y de monitoreo estructural permanente en
un tramo típico de la Línea 12. Este diseño incluye la instalación de sensores, registrador y de todos los
sistemas electrónicos que conforman la red de monitoreo estructural.
Los resultados de la instrumentación de la estructura serán valiosos para los programas de operación y
mantenimiento de la estructura, ya que permitirán, entre otros aspectos, detectar daños estructurales no
visibles que podría sufrir y corregir comportamientos inadecuados de elementos estructurales y no
estructurales con base en datos experimentales.
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DESCRIPCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN
En el mes de marzo del año 2012 se concluyeron las actividades de la instrumentación permanente del tramo
instrumentado de la línea 12 del STC-Metro localizada en el tramo comprendido entre el cadenamiento 14 +
924 (columna CC-5), y el cadenamiento 14 + 954 (columna CC-6). La instrumentación quedo conformada por
un registrador digital y 15 Acelerómetros para medir las aceleraciones (2 triaxiales y 9 uniaxiales),
distribuidos en diferentes puntos de la estructura y campo libre:
La concentración de la información de los sensores para su almacenamiento, se encuentra distribuida en un
registrador digital, un equipo Granite de 24 canales de la marca Kinemetrics. El cual se encuentra resguardado
en el Puesto Central de Registro (PCR) y montado en un rack, como se muestra en la fotografía 1.
Fotografía 1. Puesto Central de Registro PCR
Para el cableado fue necesario hacer un diagrama esquemático de las rutas a seguir para la correcta
interconexión de los sensores ubicados en los diferentes puntos estratégicos de la estructura. Las fotografías 2,
3 y 4 muestran ejemplos de la instalación de sensores y del cableado.
Fotografía 2. Sensores de aceleración en columna Fotografía 3. Sensores de aceleración en trabe
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Fotografía 4. Sensores de aceleración en zapata
El sensor de campo libre es de vital importancia como referencia para el estudio del comportamiento sísmico
de la estructura, ya que permite establecer los elementos que rigen la interacción suelo-estructura. La base
cilíndrica de concreto para la estación de campo libre, se desplanto dentro de la misma caseta del PCR, en la
cual se colocó un sensor de aceleración triaxial, como se muestra en la figura 5.
Fotografía 5. Sensor de campo libre
CARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS
Registrador digital
El registrador digital modelo Granite (fotografía 6) de la marca Kinemetrics, es un aparato con sistema de
adquisición de datos multicanal de alta resolución y de bajo consumo de corriente, consiste de un chasis, el
cual contiene conectores externos para recibir señales de voltaje proveniente de los sensores externos. Entre
sus principales características técnicas (tabla 1) se pueden señalar: Resolución efectiva de 24 bits; rango
dinámico de 127 ó 130 db dependiendo la velocidad de muestreo, tasa de muestreo efectiva que puede variar
de 1 a 2000 muestras por segundo y umbrales de activación seleccionables entre 0.01% a 100% de la escala
completa. El medio de almacenamiento es en tarjeta tipo Flash interna de 13 Gb. El instrumento cuenta con
diferentes módulos para su configuración, mismos que pueden ser actualizados en forma remota ya sea
mediante una conexión directa a una computadora PC ó vía internet. Además cuenta con un protocolo de
transferencia de datos que permite enviar paquetes de información en forma remota aun cuando la rutina de
mantenimiento y transferencia esté siendo ejecutada.
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Fotografía 6. Registrador digital Granite
Tabla 1. Características del registrador
Tipo Digital
Medio de registro Tarjeta interna “flash”
Canales ( 24 canales) Externos
Niveles de entrada [V] 5, 10 y 40 Vpp
Tasa de muestreo [muestras/seg.] 1 a 2000
Longitud de palabra [bits] 24
Recuperación de datos Local por Lap-Top o vía remota
Rango dinámico [dB] 127-130
Interconexión maestro-esclavo Configuración en red
Control de tiempo GPS
Alimentación [Volts DC] 8 a 18
El registrador se configuró con una velocidad de captura de 100 muestras por segundo por cada canal y se
programaron memorias de pre y pos-evento de 80 y 100 segundos. Además cuenta con una señal de tiempo
GPS con la finalidad de tener una referencia de tiempo que permite conocer con precisión la hora de inicio de
un evento. Es importante señalar que los rangos de aceleración de todos los sensores de la instrumentación
son de 2G (G = 981 cm/s2).
Sensores de aceleración
Los sensores de aceleración son servoacelerómetros de fuerzas balanceadas de la marca Kinemetrics, los
cuales permiten registrar el movimiento sísmico en una dirección si es uniaxial ES-U (fotografía 7) y en tres
direcciones ortogonales si es triaxial ES-T superficial. Su respuesta en corriente directa es plana hasta 200 Hz
y su rango dinámico es de 145 db. La salida es seleccionable y se pueden definir los valores de ± 2.5 y ± 10
volt en una dirección ó ± 5 y ± 20 volt diferencial. Además se pueden establecer las escalas de operación de ±
0.25, 0.5, 1, 2 ó 4 veces el valor de la gravedad. La tabla 2 muestra en un listado la ubicación de cada sensor,
así como el número de canal asignado y su orientación, también las figuras 1, 2, 3 y 4 muestran la ubicación
exacta de cada sensor instalado en la estructura instrumentada, entre la columna CC-5 y CC-6.
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Fotografía 7. Sensor uniaxial ES-U
Tabla 2 Ubicación, tipo y orientación de sensores
SENSORES DE ACELERACIÓN EN EQUIPO GRANITE
SENSOR UBICACIÓN TIPO N/S ORIENTACIÓN
Canal 1 Zapata CC6 ES-U2 Uniaxial 3515 6ZET
Canal 2 Columna CC6 ES-U2 Uniaxial 3516 6CT
Canal 3 Zapata CC5 ES-U2 Uniaxial 3517 5ZSV
Canal 4 Zapata CC5 ES-U2 Uniaxial 3518 5ZST
Canal 5 Zapata CC5 ES-U2 Uniaxial 3519 5ZEV
Canal 6 Columna CC5 ES-U2 Uniaxial 3520 5CL
Canal 7 Columna CC5 ES-U2 Uniaxial 3521 5CT
Canal 8 Trabe CC5 ES-U2 Uniaxial 3522 5TT
Canal 9 Trabe CC5 ES-U2 Uniaxial 3523 5TL
Canal 10 Zapata CC5 ES-T Triaxial 4897 5ZNL
Canal 11 Zapata CC5 ES-T Triaxial 4897 5ZNT
Canal 12 Zapata CC5 ES-T Triaxial 4897 5ZNV
Canal 13 Campo Libre ES-T Triaxial 4896 EL
Canal 14 Campo Libre ES-T Triaxial 4896 ET
Canal 15 Campo Libre ES-T Triaxial 4896 EV
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Figura 1. Ubicación de cada sensor instalado en toda la estructura
Figura 2. Ubicación de cada sensor en la columna zapata CC-5 y CC-6
20,5 2 0,5 0,5
CC-6 CC-5
3 tubos galavanizados de 2"
2 tubos galavanizados de 1"
4 tubos galavanizados de 2"
1 tubos galavanizados de 1"
PCR
PEAD 2"PEAD CorrugadoSanitario de 10"
PEAD 2" PEAD CorrugadoSanitario de 10"
Hacia estación San Andrés Tomatlán Lomas Estrella
Hacia estaciónHacia casetaHacia caseta
Columna zapata Columna zapata
6CT
6ZET 5ZNT5ZNL5ZNV
5ZST5ZSV
ELETEV
5TT5TL
5CT5CL
CC-5
5ZNL5ZNT5ZNV
5ZST5ZSV5ZEV
5CT5CL
5TT5TL
CC-6
6ZET
6CT
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Figura 3. Vista en planta de sensores ubicados en zapata CC-5
Figura 4. Vista en planta del sensor ubicados en zapata CC-6
6,5
6,5
CC-5
Hacia caseta
3
21
Lomas EstrellaHacia estación
3,2
2,2
0,5
0,2
Tubería
PEAD 2"
0,5
5ZNL5ZNT5ZNV
5ZST5ZSV
5ZEV
1
5ZNT
5ZNL
5ZNV
15
cm
30 cm
T
LV
2
5ZSV
5ZST
15
cm
30 cmTV
3
5ZEV
15
cm
30 cmV
6,5
6,5
0,5
CC-6
Hacia
San Andrés4
2,2
3,2
Hacia caseta
estación
Tomatlán
6ZET
4
6ZET
15
cm
30 cmT
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Sistema de monitoreo remoto
Ante la ocurrencia de un evento sísmico es necesario contar de manera rápida y oportuna con la información
registrada por el sistema de monitoreo estructural. Para ello se llevó a cabo la instalación y configuración del
servicio de Internet (fotografía 8) de Banda Ancha, a través de una conexión tipo Línea de Abonado Digital
Asimétrica (ADSL, por sus siglas en inglés) mediante línea telefónica. El servicio de Internet montado cuenta
con asignación de dirección IP fija o estática y una velocidad mínima de 2 Mbps. Para poder contar con el
servicio de Internet se instaló una línea telefónica hasta el interior del PCR. De esta manera, los equipos de
registro se pudieron configurar y conectar para poder accesar eventualmente a la información registrada de
manera remota así como la transmisión de datos en tiempo real. De esta forma de inmediato se puede conocer
el estado de operación del sistema de instrumentación desde el Puesto Central de Registro ubicado el Instituto
de Ingeniería de la UNAM.
Fotografía 8. Sistema infinitum
REGISTROS OBTENIDOS
Después de concluida la instrumentación permanente de un tramo elevado de la línea 12 del metro y de que se
encuentra operando, se ha obtenido el registro de sismos ocurridos en este periodo y algunos eventos del paso de
trenes.
EVENTOS SÍSMICOS
Se han registrado algunos eventos sísmicos desde su instalación por mencionar algunos están el 2 abril del
2012 (M= 6.0), el 11 de abril del 2012 (M=6.4), el 15 de noviembre de 2012 (M=6.1), el 18 de abril de 2014
(M=7.2) y el 8 de mayo del 2016 (M=6.0). En la tabla 2, se muestran las características principales de dichos
sismos. En las figuras 5 y 6 se muestran los acelerogramas obtenidos por el registrador Granite, durante el
sismo registrado el 18 de abril de 2014 y en las figuras 7 y 8 por el paso de trenes del metro.
Los acelerogramas muestran las historias de tiempo-aceleración registradas en cada punto de medición, en la
parte superior del encabezado se muestran características principales del sismo, de la estación y de los valores
máximos registrados; en la parte central las trazas de aceleración registradas por cada sensor y en la parte
derecha las claves de los puntos instrumentados y el valor máximo de aceleración registrado en cm/s².
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Tabla 2. Características principales de los eventos sísmicos registrados
EVENTO FECHA HORA SISMO (GMT)
Coordenadas Epicentrales Profundidad
(Km) MAGNITUD
Lat. Long.
1 2/abril/2012 17:36:42 16.27 98.47 10 6.0
2 11/abril/2012 22:55:10 17.90 103.06 16 6.4
3 1/mayo/2012 16:37:59 18.20 101.01 51 5.6
4 15/noviembre/2012 09:20:22 18.70 100.52 40 6.1
5 21/agosto/2013 12:38:30 16.79 -99.56 20 6.0
6 18/abril/2014 14:27:23 17.1 -101.19 10 7.2
7 8/mayo/2014 17:00:16 17.11 -100.87 17 6.4
8 10/mayo/2014 7:36:01 17.06 -100.95 12 6.1
9 8/mayo/2016 7:33: 16.25 -97.98 35 6.0
Figura 5. Acelerogramas obtenidos en campo libre, durante el sismo del 18 de abril de 2014
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Figura 6. Acelerogramas obtenidos en los diferentes puntos instrumentados, durante el sismo del 18 de abril de 2014
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Figura 7. Acelerogramas obtenidos en los diferentes puntos instrumentados, durante el paso de trenes
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Figura 8. Acelerogramas obtenidos en campo libre, durante el paso de trenes
CONCLUSIONES
El objetivo principal de la instrumentación es tener una mejor comprensión del comportamiento de la
estructura, ante la acción de fenómenos sísmicos, se está cumpliendo con los registros obtenidos de la
instrumentación instalada de acuerdo a lo que se esperaba.
Adicionalmente, también, se ha logrado obtener información acerca del registro de los sensores instalados en
la estructura ante la excitación producida por algunos pasos de los trenes que circulan sobre la vía elevada,
datos que también son valiosos para el estudio del comportamiento de la estructura.
La instrumentación se encuentra operando eficientemente, como lo muestran los registros obtenidos durante los
sismos ocurridos en este periodo.
Con los datos registrados de estos eventos se logró calibrar el sistema con resultados totalmente favorables.
El sistema permite el acceso remoto a las señales sísmicas en forma inmediata, con lo cual los datos se
encuentran disponibles para su análisis y estudio pocos minutos después de ocurrido el sismo y también
contribuyen a mantener un adecuado control del estado de la instrumentación instalada, condición que es
fundamental para garantizar el éxito en el registro del fenómeno sísmico.
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AGRADECIMIENTOS
Una parte importante de la operación y mantenimiento de la instrumentación permanente está a cargo de la
Coordinación de Sismología e Instrumentación Sísmica se ha contado en todo momento con el apoyo y
supervisión del Dr. David Murià Vila, así como del personal de la Coordinación de Estructuras y Materiales a
su cargo. Se agradece a los ingenieros Marco Antonio Macías Castillo, Héctor Sandoval Gómez, Leonardo
Alcántara Nolasco, Citlali Pérez Yáñez, Ana Laura Ruiz Gordillo, Rosario Delgado Diance al Sr. Jorge
Hurtado Mondragón, al Sr. Raymundo Mondragón Colín, al Sr. Ponciano Trinidad López y al estudiante Raúl
Bazán García. Agradecemos la colaboración del personal de la empresa ECODA, en especial al Arq. José
Manuel Palma Uribe por su aportación a la finalización de las reparaciones efectuadas. También se hace un
reconocimiento a la empresa Ingenieros Civiles Asociados, SA de CV, particularmente al Ing. Rogelio de
Aquino, por las facilidades otorgadas para la realización de las actividades presentadas en este informe.
Finalmente, es importante hacer mención que el diseño arquitectónico del Puesto Central de Registro estuvo a
cargo de la estudiante de arquitectura Xenia América Miranda Martínez, así como del Ing. Roberto Sánchez
Ramírez.
REFERENCIAS
[1] Mauricio Ayala H., Alejandro Mora C. -Informe final de la instrumentación permanente para el
monitoreo estructural de un tramo típico de la línea 12 del metro-. Informe elaborado para el Proyecto Metro
del Distrito Federal, Informe interno del Instituto de Ingeniería, UNAM. Noviembre 2012.