tema 1: estructuras tipo y su deformación

TEMA 1: LAS ESTRUCTURAS TIPO Y SUS DEFORMACIONES Página 1 de 66

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS EN TOPOGRAFÍA, GEODESIA Y CARTOGRAFÍA

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ANALISIS Y CONTROL DE DEFORMACIONES

TEMA 1:

CONOCIMIENTO GENERAL DE LAS ESTRUCTURAS TIPO Y SUS DEFORMACIONES

Luis Beltrán López Rodríguez

Profesor Asociado de Ingeniería Civil


INDICE: Cap.1,-Tipología de estructuras y sus elementos (puentes, túneles, presas, edificios) 1.1 Estructuras de obras civiles y edificación 1.2 Tipos de estructuras 1.3 Puentes y viaductos 1.4 Túneles 1.5 Presas 1.6 Edificaciones

Cap.2,-Deformaciones en las estructuras sometidas a esfuerzos 2.1 Acciones en las estructuras 2.2 Esfuerzos principales que generan deformaciones 2.3 Deformaciones en las estructuras en construcción 2.4 Deformaciones en las estructuras en servicio Cap.3- Elementos y posiciones con deformaciones singulares y críticas 3.1 Cimentaciones 3.2 Explanaciones y perforaciones del terreno 3.3 Soportes y elementos verticales 3.4 Elementos de contención de tierras 3.5 Vigas, tableros y arcos 3.6 Cubiertas y bóvedas

Cap.4- Control de las deformaciones y tolerancias especificadas 4.1 Metodología de control y normativa 4.2 Auscultaciones y monitoreo 4.3 Pruebas de carga 4.4 Instrumentación y precisión de mediciones 4.5 Tolerancias especificadas


TEMA 1: CONOCIMIENTO GENERAL DE LAS ESTRUCTURAS TIPO Y SUS DEFORMACIONES Introducción. La deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo, provocando el desplazamiento entre las partículas que lo componen. En este caso, se trata de deformación mecánica. También se pueden producir deformaciones causadas por la dilatación térmica, que son independientes de las solicitaciones mecánicas, y que es función del comportamiento de los materiales ante los cambios de temperatura. La deformación puede producirse en una, dos ó tres dimensiones, dando lugar a deformaciones lineales, superficiales y volumétricas, respectivamente. Para medir la deformación de los sólidos se utiliza la magnitud deformación unitaria, que se define como la deformación por unidad de longitud de la pieza deformada.

Tanto si se trata de deformación lineal, como de deformación espacial, se pueden diferenciar los tramos de deformación en:

• Deformación elástica, reversible o no permanente, el cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la deformación.

• Deformación plástica, irreversible o permanente. Modo de deformación en que el material no recupera su forma original después de retirar la carga aplicada. Esto sucede porque, en la deformación plástica, los esfuerzos generan tensiones que superan el valor del límite elástico del material, por lo la deformación plástica se produce después de la elástica.

El factor determinante es por tanto la elasticidad de los materiales, determinada por la el módulo elástico ó modulo de deformación E, que relaciona las tensiones con las deformaciones en cada material, según la ley de Hooke.

Comúnmente se entiende por materiales elásticos, aquellos que sufren grandes elongaciones cuando se les aplica una fuerza, recuperando su longitud original una vez que desaparece la carga. En edificación y en ingeniería civil se utilizan, básicamente, hormigón y acero, siendo mayor la elasticidad de estos y de otros metales que la de los hormigones y los materiales pétreos, pero en todos los casos el diseño de las estructuras se realiza con la hipótesis de que los materiales sometidos a esfuerzos no superen el límite elástico, y por tanto, trabajen en fase elástica. CAPITULO 1: TIPOLOGÍA DE ESTRUCTURAS Y SUS ELEMENTOS (PUENTES,

TÚNELES, PRESAS, EDIFICIOS) 1.1 ESTRUCTURAS DE OBRAS CIVILES Y EDIFICACIÓN Las estructuras son sistemas constructivos cuya misión fundamental es la de soportar un conjunto de cargas, que podemos clasificar como sigue:

1- Peso propio 2- Cargas de funcionalidad ó cargas de uso 3- Acciones exteriores

http://es.wikipedia.org/wiki/Esfuerzo_interno

http://es.wikipedia.org/wiki/Esfuerzo_interno

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza

http://es.wikipedia.org/wiki/Dilataci%C3%B3n_t%C3%A9rmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Elasticidad_(mec%C3%A1nica_de_s%C3%B3lidos)

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza

http://es.wikipedia.org/wiki/Plasticidad_(mec%C3%A1nica_de_s%C3%B3lidos)


En el apartado 1 de peso propio incluiremos las cargas de la estructura que son especialmente significativas en las estructuras de hormigón armado y las cargas reológicas, que provienen del proceso de fraguado del hormigón.

En el apartado 2 incluiremos las cargas que actúan sobre la construcción de la que forma parte la estructura en cuestión, por ejemplo los objetos y personas que van a estar en la construcción.

En el apartado 3 nos referimos a la temperatura (dilatación-contracción), el viento, la nieve, sismos, etc. Vemos que las cargas que pueden actuar sobre una estructura son muy variadas y pueden darse una serie de combinaciones entre ellas, debiendo la estructura soportar la combinación más desfavorable.

La estructura debe soportar las cargas y acciones orientando esta capacidad en tres aspectos:

1- Estabilidad 2- Resistencia 3- Deformación limitada

Vamos a comentar, de una forma muy general los aspectos anteriormente enunciados.

La estabilidad de una estructura es la que garantiza que dicha estructura, entendida en su conjunto como un sólido rígido, cumple las condiciones de la estática, al ser solicitada por las acciones exteriores que pueden actuar sobre ella. La resistencia es la que obliga a que no se superen las tensiones admisibles del material y a que no se produzca rotura en ninguna sección. La deformación limitada implica el que se mantenga acotada (dentro de unos límites) la deformación que van a producir las cargas al actuar sobre la estructura. Estos límites van marcados por la utilización de la estructura, razones constructivas y otras. Una de las necesidades fundamentales en la ingeniería civil es conocer el comportamiento de los materiales sometidos a diferentes tipos de esfuerzo calculando su resistencia y determinando su comportamiento durante el ciclo de vida de las estructuras en que se emplea. Se producen deformaciones en distintas fases de la vida útil de una estructura, provocadas por: a)-Durante la ejecución: -Asientos por la acción peso transmitido por la cimentación al terreno -Solicitaciones del propio peso de la estructura b)-Durante el servicio ó explotación -Cargas de uso y sobrecargas (usuarios, vehículos, mobiliarios, nieve, viento, etc.) -Acciones externas (climatológicas, entorno, etc.) -Acciones accidentales (sismos, impactos, etc.) 1.2 TIPOS DE ESTRUCTURAS La tipología de estructuras con la que se construyen las obras civiles y los edificios es muy extensa y admite varias clasificaciones atendiendo a distintos factores como son: el diseño, los materiales, los fundamentos mecánicos, los procedimientos constructivos y los condicionantes del terreno.


Los parámetros fundamentales para evaluar y controlar las deformaciones son los estados de carga, solicitaciones, resistencia de materiales y geometría. Las materiales más comunes para construcción de estas estructuras son el hormigón, el acero y la combinación de ambos (mixtas). Se pueden clasificar las estructuras según:

1.2.1-Materiales: -Madera -Hormigón -Acero -Mixtas de hormigón y acero -Otros materiales.

1.2.2-Diseño y cálculo:

-Estructuras planas: cuando todas las barras que la forman y las cargas que actúan sobre la misma se encuentran en un mismo plano.

-Estructuras superficiales: en las que la que presenta una forma marcadamente superficial, mientras que las cargas que actúan sobre dicha estructura no se encuentran contenidas en la misma.

-Estructuras espaciales: cuando las barras que forman la estructura, así como las cargas que actúan sobre ella, ocupan cualquier posición en el espacio.

Los elementos estructurales fundamentales son:

1.2.3.-Elementos estructurales en construcción. Se conoce como elemento estructural a las diferentes partes en que se puede dividir una estructura atendiendo a su diseño. El trazo de estos elementos se lleva a cabo siguiendo los principios de la resistencia de materiales y de la ingeniería estructural. Cada uno de los elementos estructúrales poseen nombres propios que los identifican, aunque estos pueden variara según el país. Ahora bien, estos elementos se pueden clasificar siguiendo los tres criterios principales, que son: • Forma geométrica y posición • Dimensiones del elemento. • Estado tensional y/o solicitaciones predominantes. Los elementos más comunes son los lineales, formados por prismas mecánicos o unidimensionales. Estos son alargados y están sometidos a un estado de tensión plana. Son muchos lose los elementos lineales que existen, pero los más comunes atendiendo a su forma y posición son:

• Horizontales, flexionados y rectos: Zapatas corridas, vigas, riostras, dinteles, etc.

• Verticales, comprimidos y rectos: Pilote, pilares, pilas y columnas.

• Flexionados y curvos: Arcos simples y arcos continuos.

http://www.arqhys.com/

http://www.arqhys.com/


• Diagonales y rectos: Tirantes, barras de una celosía, jabalcones, etc.

Por otra parte, están los elementos bidimensionales que poseen una dimensión o espesor menor que las demás. Estos se dividen según su forma en:

• Horizontales, flexionados y planos: Losas de cimentación y forjados.

• Flexionados y curvos: Bóvedas

• Verticales, flexionados y planos: Muros pantalla, muros de contención, etc.

Por último están los elementos tridimensionales, los que poseen estado tensional biaxial o triaxial

Zapatas, ménsulas de sustentación, etc.

Los elementos más comunes que se pueden identificar en una estructura son:

-La cimentación (zapatas, losas, pilotes, etc.)

-Las vigas de directriz recta, que trabajan fundamentalmente a flexión

-Los pilares, que trabajan fundamentalmente a compresión.

-Los forjados y losas Una tipología estructural de viga muy frecuente es:

a) La viga continua: Está compuesta por un tramo continuo con apoyos intermedios en pilas ó pilares. Los espacios entre pilares los denominamos vanos, que pueden ser:

Extremos, Intermedios ó Central.


b) Los arcos: Los elementos estructurales que sirven para salvar los vanos mediante un eje curvilíneo, siendo una tipología característica el arco de tres articulaciones. Para las denominaciones de las estructuras utilizamos determinados aspectos significativos, como por ejemplo:

La forma fundamental, por ejemplo: arco Los apoyos, por ejemplo: empotramiento, articulación fija,... El tipo de nudos, por ejemplo: rígido, articulado

Existen una serie de tipologías estructurales muy comunes:

En otras situaciones las estructuras tener formas superficiales o volumétricas.


c) Los pórticos y las cerchas

Elementos estructurales básicos para conformar estructuras más complejas en las construcciones de distinta índole, formadas por entramados de piezas conectadas en sus extremos.

Los pórticos, generalmente de nudos rígidos, característicos por ejemplo de las estructuras principales de las naves industriales.

Las cerchas, generalmente de nudos articulados, característicos por ejemplo de ciertas estructuras de cubierta, en construcción industrial fundamentalmente.

Los marcos, que se utilizan por ejemplo en entramados laterales

En construcción arquitectónica son muy comunes los pórticos múltiples de varios vanos y alturas.

Arriba, se adjuntan distintos tipos de arcos y de pórticos utilizados tanto en ingeniería de puentes, como en arquitectura industrial.

Se trata de las estructuras espaciales en las que las barras y las cargas actuantes, se sitúan en cualquier posición del espacio, como en la figura inferior.

1.3 PUENTES Y VIADUCTOS

La clasificación de los puentes se puede hacer muy extensa, ya que se realiza en función de diversos factores, como materiales, longitudes, vanos, geometría de diseño, usos, etc.

Dado que lo que nos ocupa en este tema son las deformaciones de las estructuras, nos limitaremos a incluir unas reseñas de las más características.


Tipología: En las figuras adjuntas numeradas del 1 al 5 se recogen las estructuras tipo de puentes sin apoyos intermedios, mientras que en las figuras nº. 6, 7 y 8 los apoyos del tablero se sitúan en los extremos y en posiciones intermedias sobre las pilas que reparten las cargas y separan los distintos vanos.

Se puede observar que en los tipos 1 y 3 el tablero está formado por una sección maciza, mientras que en las fig. 2 y 4 el tablero conectado a una celosía de barras. En las figuras 1 y 2 el tablero se refuerza con una estructura superior, de la que cuelga, que transmite los esfuerzos hacia los apoyos. En las figuras 3 y 4 el tablero se refuerza con una estructura de barras inferior sobre la que se apoya, transmitiendo los esfuerzos en posición diferente a la de los apoyos del tablero. El tipo de puente de la figura 5 es similar a los que aparecen en las figura 3 y 4, pero realizada con hormigón. También puede ejecutarse el tablero con hormigón armado y la estructura soporte con vigas metálicas (tipo cajón) en el arco inferior. En las figura 6 y 7 tipología de puentes colgantes, con tableros de alma llena (figura 6) y de celosía (figura 7). La figura 8 corresponde a una tipología con apoyos intermedios que se denomina puente cantilever.


1.4 TÚNELES Las infraestructuras que requieren la construcción de túneles determinan la geometría de estos, tanto en lo que se refiere al trazado, como a la sección, mientras que las condiciones geológicas y geotécnicas del terreno que se ha de perforar y la longitud prevista son los factores a considerar en la elección de la metodología para ejecutar del túnel.

Cale de conexión de túnel (perforado con TMB) con la caverna de estación.

A diferencia de las estructuras de puentes y de edificaciones, en las que las acciones y sobrecargas están claramente definidas, los sostenimientos y los revestimientos de los túneles están sometidos a acciones del terreno cuyo evaluación es notablemente más compleja, por la heterogeneidad del los materiales, los factores que afectan a su comportamiento y los parámetros que afectan a la interacción terreno-túnel.

La clasificación de los túneles más habitual es la que hace referencia al método de perforación, que además determinará el tipo de deformaciones y la forma de controlarlas. 1.4.1- Falso túnel Es una infraestructura que se construye cuando un obstáculo natural de escasa altura debe ser atravesado por un ferrocarril o por una carretera, de forma que no resulta conveniente perforar un túnel debido al escaso recubrimiento y al riesgo de que la construcción de un desmonte convencional pueda provocar desprendimientos. En otras ocasiones, la construcción de falsos túneles se justifica simplemente en la necesidad minimizar el impacto ambiental de la vía de comunicación, especialmente cuando el trazado pasa cerca de zonas urbanas. Una forma de construir un falso túnel consiste en ejecutar unas pantallas, bien con pilotes o con pantalla continua. Tras esas pantallas laterales, se ejecuta la losa de cubrición para formar el techo del túnel. Una vez fraguado el hormigón de la losa, se puede proceder a trabajar bajo tierra, vaciando la caverna generada entre las pantallas y la losa, hasta el nivel del suelo del túnel.

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/Falso_t%C3%BAnel


La ejecución de pantallas con pilotes consiste en hacer “taladros” consecutivos, que luego son rellenados con acero y hormigón. Si utilizamos una hidrofresa el principio es el mismo, solo que la perforación es rectangular. Si el falso túnel se realiza a una profundidad mayor de 5 a 10 metros, es necesario ejecutar losas intermedias, para garantizar la integridad de las pantallas laterales. Este método es muy seguro, habiéndose realizado bastantes kilómetros de todo tipo de túneles, por ejemplo en varias líneas de Metro de Madrid, como de cercanías (Pasillo verde, Getafe, etc.) sin incidentes a reseñar. Incluso en terrenos particularmente complicados como es la vega del rio Manzanares, este método ha dado un gran rendimiento en la ejecución del soterramiento de la M30.

Pantallas de pilotes (Falso Túnel) Falso Túnel (pantallas y losa) 1.4.2-Método Belga: También llamado Método clásico de Madrid o método de galería de clave, es un método para la construcción de túneles en terrenos blandos. Se basa en los principios que permitieron la construcción del túnel del Charleroi (1828) en el canal que enlaza Bruselas y Charleroi. Se caracteriza por la progresiva excavación de los elementos que componen el túnel, de tal forma que se van retirando los elementos más estables del túnel evitando el hundimiento o la falta de estabilidad del frente. El método se denomina método clásico de Madrid por ser el método más empleado en la construcción de los túneles del metro de Madrid. Se suele aplicar a túneles con un ancho máximo de unos 8 m libres más 3 m en hastiales, es decir, un máximo de 11 m. Este método consiste en realizar la excavación abriendo una pequeña galería en clave del túnel para ir ensanchándola poco a poco, protegiendo y entibando el frente, hasta que se pueda hormigonar toda la bóveda. El primer elemento excavado es la parte central de la bóveda del túnel (se suele denominar avance en bóveda o calota).La bóveda se sostiene en el terreno mediante un entramado progresivo de madera. Esta bóveda queda soportada por un encofrado, mientras la parte inferior se va excavando a medida que se va asegurando el avance. De esta forma la galería se va construyendo a medida que se avanza sin poner en riesgo a los trabajadores debido al hundimiento del túnel. Al abrir pequeñas secciones es posible solucionar cualquier

http://es.wikipedia.org/wiki/T%C3%BAnel

http://es.wikipedia.org/wiki/Excavaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Metro_de_Madrid

http://es.wikipedia.org/wiki/B%C3%B3veda

http://es.wikipedia.org/wiki/Encofrado


problema que pudiera surgir de inestabilidad, puesto que la seguridad del método se basa en que se trabaja con un frente muy pequeño, normalmente inferior a 3 m2. Este método tiene la ventaja de estar muy comprobado en la práctica de la ingeniería civil, aunque aporta rendimientos de avance pequeños.

Excavación de túnel y esquema de fases del método Belga Resumiendo, las fases serían las siguientes:

a) Excavación de la bóveda. Se inicia con una galería de avance, entibada en la zona de clave, que va unos metros por delante de la bóveda, y desde la que se ensancha la excavación de esa zona. Esta excavación va unida a la debida entibación.

b) Hormigonado de la bóveda con inyección del trasdós para rellenar huecos y asegurar el contacto terreno-hormigón.

c) Excavación y entibación de hastiales por bataches, previa excavación en destroza. d) Hormigonado de hastiales por bataches. e) Destroza y hormigonado de la contrabóveda.

Si la sección del túnel es grande, las fases c) y d) se cambian, se excavan los hastiales en pozo y se hormigonan antes de excavar la destroza. 1.4.3- Nuevo Método Austriaco Las técnicas de gunitado y bulonado, junto con una nueva concepción constructiva en la que el estado de tensiones-deformaciones del sistema túnel-terreno se controla desde el inicio de la excavación, llevaron a nuevos sistemas de ejecución del que el primeramente patentado (1.956), fue el denominado Nuevo Método Austriaco. En este método, el sostenimiento provisional no se consigue como en los métodos clásicos con cuadros rígidos, sobredimensionados para soportar la presión del terreno una vez que se ha deformado, sino que incorpora un medio de sostenimiento provisional más flexible, que se adapte al terreno y trabaje desde el momento en que se efectúa la excavación. Se pretende que las condiciones resistentes del macizo sufran la menor alteración posible, controlando (con medidores de convergencia, extensómetros, etc.) las deformaciones del terreno que se producen por la descompresión producida al excavar y minimizando su magnitud por medio de un gunitado del terreno excavado y de otras técnicas complementarias.

http://enriquemontalar.com/el-nuevo-metodo-austriaco-de/


El propio terreno actúa como elemento resistente en colaboración con el recubrimiento definitivo del túnel, que en consecuencia resulta de bastante menor espesor que el que se obtendría con un método tradicional.

Túnel excavado por el Nuevo Método Austriaco 1.4.4.-Excavación de túneles a sección completa (Tuneladoras) Cuando se trata de perforar la sección de un túnel a sección completa, en una sola fase, se ha de recurrir a maquinas tuneladoras que excavan el macizo de suelo ó de roca y avanzando sobre el frente de excavación, estando equipadas con sistemas de sostenimiento y revestimiento de la sección, si así se requiere. Se emplean en grandes túneles por la importante inversión que supone este método ejecución. a)-Escudos Las denominadas tuneladoras de doble escudo son las máquinas que presentan características tanto de topo como de escudo. Se trata de un escudo telescópico articulado en dos piezas diseñado para el sostenimiento del terreno cuando avanza la excavación del túnel. Su principal característica es su doble sistema de propulsión independiente, el primero para el escudo y el segundo para el topo. Es una máquina muy versátil, pues permite excavar tanto la roca dura que los escudos propiamente dichos no podrían perforar, con rendimientos parecidos a los de los topos. Pero además, permite la excavación en terrenos inestables y heterogéneos que los topos no podrían ejecutar por sí solos. Por tanto, se trata de la mejor solución para macizos con tramos de geología variable suelo-roca.

Tuneladora de doble escudo Rozadora ó minadora

http://www.microtunel.com/27_descudos.htm


b)-Rozadoras Las rozadoras o minadores son máquinas autoportantes en las que la excavación se efectúa por la incidencia del útil de corte con el terreno. Tienen además los elementos necesarios para recoger el material excavado y descargarlo sobre el medio auxiliar previsto para su evacuación. La excavación con rozadora es eficaz en rocas blandas o muy alteradas, terrenos de tránsito o suelos de cierta cohesión y estabilidad. En suelos heterogéneos tienen la ventaja de poder adecuar y dirigir la fuerza de la máquina a la resistencia del terreno. Las rozadoras de ataque frontal (“ripping”) hacen girar el cabezal alrededor de un eje horizontal, perpendicular al brazo de la máquina. Este tipo de máquinas se usan en las obras civiles. Intervienen tres fuerzas en el arranque por parte de las picas. El par de corte es proporcionado por el motor que acciona la cabeza de corte. La fuerza horizontal se ejerce con el giro del brazo y la fuerza vertical con el peso de la rozadora. Aprovecha bien el empuje en la dirección perpendicular al frente del túnel. El tipo de pica más común es la pica cónica. c)-Tuneladoras EPB Las tuneladoras EPB (en inglés, Earth Preasure Balance), son escudos de presión de tierras que se utilizan normalmente en la excavación de terrenos cohesivos. Pertenecen al grupo de tuneladoras que denominamos escudos, que se diferencian de los topos por la carcasa metálica exterior que sostiene provisionalmente el frente de avance hasta que se coloca el sostenimiento definitivo. Los escudos EPB han sido utilizados con éxito en la construcción de túneles, aunque también pueden emplearse con la técnica de hinca de tubos. Entre sus ventajas se encuentran sus elevados rendimientos, su versatilidad y respeto medioambiental, aunque requieren de una elevada inversión económica.

Esquena de la sección longitudinal de una EPB 1.4.5.-Medida de deformaciones En la actualidad se dispone de una gran variedad de aparatos de medida, por lo que pueden controlarse la mayoría de las variables del proceso constructivo.

- Extensómetros - Perfilómetros - Inclinómetros - Piezómetros - Celuás de presión

http://www.microtunel.com/24_escudoepb.htm


Existen además otros muchos equipos de medida de uso poco frecuente como - Medidores de resistividad o conductividad - Acelerómetros - Líneas de asientos, tasómetros, etc. - Detectores de gases, etc.

Recientemente se están implantando sistemas, que con aplicaciones de fibra óptica permiten detectar, de forma continua, variaciones en los estados tensionales de los sostenimientos u otros elementos de los túneles.

Cinta de convergencia Diana taquimétrica y de nivelación

Electronivel

Inclinómetro Piezómetro abierto

Piezómetros de cuerda vibrante Células de presión total


Células de carga en anclajes Extensómetro

Fisurómetro instalado para medir evolución de fisuras 1.4.6.-Túneles excavados con tuneladoras La auscultación del propio revestimiento del túnel supone algunas diferencias respecto a los túneles convencionales. Normalmente la instrumentación se coloca en el taller de fabricación de dovelas introduciendo en las mismas:

- Tensiómetros en armaduras - Células de presión total radiales y perimetrales

Las células radiales son de difícil instalación e interpretación en dovelas cuando estas tienen pequeño espesor. Las células en el trasdós de las dovelas tienen dos inconvenientes:

- La inyección de mortero, de mejor o peor calidad, modifica la transmisión de las

tensiones del terreno a la célula. - La diferencia de rigidez entre la célula y la dovela favorece un cierto “puenteo”,

midiéndose tensiones muy diferentes de las reales Se han ensayado métodos para atravesar las dovelas y colocar las células contra el terreno, evitando los efectos anteriores. Se trata sin embargo de una operación bastante complicada.


En la figura adjunta se pueden apreciar una instrumentación habitual en los grandes túneles perforados con tuneladoras y revestidos con dovelas de hormigón.

- Instrumentación típica de un anillo de dovelas

1.4.7.-Medida de convergencias

En toda excavación se provoca un reajuste de las tensiones en las proximidades de las paredes de la galería o pozo realizado en el terreno, como consecuencia se producen movimientos del terreno hacia el interior de la excavación.

El método de curvas características del terreno y del sostenimiento explica de forma gráfica los fundamentos del Nuevo Método Austríaco de Construcción de Túneles, que es el origen de muchos de los métodos constructivos de túneles usados hoy en día

En los macizos de rocas competentes y poco alteradas, los valores que se obtienen de convergencias suelen ser muy pequeños, registrándose valores de orden milimétrico (0/10), una vez colocado el sostenimiento definitivo.

Esto no sucede así cuando nos encontramos en zonas de falla o en túneles que se ejecutan en rocas muy alteradas o terrenos muy blandos, sobre todo si se excava con métodos no integrales. En estos casos los desplazamientos del terreno suelen ser bastante importantes, alcanzando con cierta frecuencia valores que pueden superar la decena de centímetros (10/20 mm).

Estas cifras pueden parecer elevadas, pero si el sostenimiento está debidamente controlado no suponen un riesgo a la seguridad en el túnel, pero ponen en entredicho los datos tomados al inicio de los procesos convergentes.

Estas deformaciones, ó convergencias, dependen del terreno, sección de la excavación, profundidad con respecto a la superficie, etc.


La medición de las convergencias es la instrumentación más rápida, económica y más utilizada para el control de la excavación de un túnel.

En la figura adjunta se puede ver una sección típica en la medida de las convergencias mediante el uso de la cinta extensométrica. La medición se hace entre unos puntos que se anclan a la roca o al hormigón proyectado en el contorno del túnel. Según los diversos sistemas, estos puntos poseen en su extremo una rosca o un gancho dónde se aplica el aparato de medición.

La cinta extensométrica es una cinta métrica metálica junto con un sistema que permite ponerla a una cierta tensión constante y un reloj comparador que aprecia, como mínimo la décima de milímetro. En una sección generalmente se colocan entre tres y cinco puntos o clavos de convergencia. Lo habitual es un punto en clave y otros dos, uno en cada hastial

La sección de medida debe colocarse y empezarse a medir lo más antes posible tras la excavación, ya que de otro modo no se miden las deformaciones reales.

Dado que un porcentaje importante del movimiento se produce por delante del frente (un 30% aprox.) y otro se produce antes de medir (un 20% aprox.), la medición obtenida puede suponer un 50% del movimiento total, o incluso menos.

Las medidas deben hacerse diariamente hasta que se haya alcanzado la estabilización de los movimientos, e incluso dos lecturas diarias si la variación es muy brusca. Es conveniente realizar además medidas posteriores de comprobación con periodicidad mensual. La medida de convergencias es una medida relativa, es decir, sólo se conoce la variación de distancias entre los puntos de medida, pero no su movimiento real.

Todas estas características hacen que las convergencias se usen más bien de forma cualitativa que cuantitativa. Lo que interesa es conocer si la deformación se estabiliza y cuánto tarda en estabilizarse, así como comparar unas secciones con otras, lo que nos da una idea de la calidad de la roca y de si el sostenimiento es adecuado.

No se deberán sobrepasar los valores de las convergencias máximas que se especifican en el Proyecto. Si es así, habría que reforzar el sostenimiento, ya que este se ha quedado escaso y no es capaz de contener la deformación del terreno hasta un valor asumible.

Normalmente se coloca una sección de cada 25 metros en túneles normales de carretera, y cada 10 ó 15 metros en zonas de especial problemática o en grandes cavernas. También se utilizan estaciones totales topográficas de precisión para la medida de convergencias. En este caso se usan unas dianas reflectantes pegadas al hormigón.


Otra posibilidad es estacionar el aparato en una base fija y durante la medida ajustar el prisma sucesivamente en cada punto de lectura. El primer sistema es más rápido de leer, pero tiene el inconveniente de la suciedad que se deposita sobre las dianas, que imposibilita su lectura, y también la oscuridad el túnel, que dificulta la puntería.

-Instrumentación típica en zona de influencia sobre un túnel construido con dovelas

Medida de convergencias en un anillo de dovelas.


1.4.8.-Medida de asientos superficiales (Subsidencias) En ciertas ocasiones resulta muy conveniente controlar los asientos superficiales por encima del túnel. Esto es especialmente evidente en túneles urbanos, donde existen edificaciones próximas y la cobertera sobre la excavación es pequeña. En túneles de montaña no se suele hacer salvo circunstancias especiales. Los hitos o puntos de nivelación se distribuyen sobre la traza del túnel situando uno o varios, lo suficientemente alejados del mismo para que sirvan de referencia. De este modo el nivel puede estacionarse dentro de la zona de influencia. En las figura adjunta se observa la deformación teórica de la zona de influencia de un túnel en tres dimensiones.

Gráfico de “Attewell (3 dimensiones.+ tiempo) donde: α=42º; β=90;º δ= asiento máximo

La sección longitudinal nos muestra la atenuación de asientos en función de la distancia al frente de la perforación.

Sección longitudinal del avance de la excavación del túnel

Los desplazamientos verticales que se producen en la superficie están escalonados, como indica la figura adjunta: a ( 20 – 30 % ); b ( 50 – 60 % ) ; c ( 10 – 30 % )


El método habitual utilizado es el topográfico, utilizando un nivel de precisión y miras invar, que permitan apreciar el medio milímetro. Con la instrumentación más moderna se utilizan niveles electrónicos con lector de código de barras para la medición de desniveles y que realizan el control electrónico de su propia horizontabilidad, mediante un mecanismo compensador.

La nivelación se lleva a cabo sobre hitos de nivelación firmemente implantados en el terreno, repartidos por la zona de influencia de la obra. 1.4.9.-Desplazamientos horizontales Los posibles desplazamientos horizontales en superficie se controlan mediante el establecimiento de redes topográficas ubicadas en la zona de influencia y referidas a bases localizadas fuera de la zona de afección de las deformaciones, utilizando estaciones totales de gama alta y utilizando métodos topográficos para dar coordenadas con un alto grado de precisión a una serie de puntos de control repartidos por el área de influencia. Las afecciones a todo tipo de construcciones próximas al trazado del túnel es el tema de mayor importancia por sus repercusiones sociales y económicas. En primer lugar se requiere de un levantamiento del estado inicial de la edificación (estado general, grietas, etc.) antes de realizarse la excavación, con un soporte documental suficiente como para permitir conocer si se está produciendo afección a la edificación o si por el contrario esta ya tenía dichos daños. El control más simple que se realiza se realiza a través de la nivelación de alta precisión de clavos o regletas de nivelación situadas en las fachadas de los edificios o en los muros de carga, de toda la zona de desarrollo de asientos refiriendo las medidas a bases externas a la zona de influencia de las obras.

Observaciones de nivelación de precisión

En la figura adjunta se observa una medición de subsidencias en fachada de un edificio situado en la zona de influencia de una perforación de túnel, dentro del plan de seguimiento de las posibles deformaciones en el entorno.


1.5 PRESAS Las presas son grandes construcciones que se comportan como una estructura por tratarse de materiales homogéneos que están sometidos a esfuerzos originados por su propio peso, por empujes del agua que embalsan, por la reacciones del terreno en el que se apoyan, etc. En resumen, las fuerzas que actúan son: -El peso propio de la presa -El empuje hidrostático del agua -La subpresión de las infiltraciones bajo la presa Y otras de menor relevancia, como las de origen térmico, empuje de lodos y excepcionalmente movimientos tectónicos y sísmicos.

1.5.1.-Tipos:

En función de la ubicación de la presa y la orografía del terreno se opta por un el tipo u otro de presa, clasificándose estas en: P. de Gravedad: que compensan el empuje con su propio peso. P. de Contrafuertes: similares a las anteriores, pero en las se reduce la componente sección y peso del núcleo, colocando contrafuertes como elementos de reacción. P. Bóveda: con diseño en forma de arco que trasmite los empujes a la cimentación y a las laderas a través de los estribos. P. de Escollera ó materiales sueltos: se construyen con materiales granulares compactados en sección trapecial, formando un gran dique de contención.


Por tratarse de grandes macizos las deformaciones elásticas son de pequeña magnitud, siendo más significativos los desplazamientos que se producen en la cimentación en los estribos y en las juntas, a excepción de las de tipo bóveda, más esbeltas y más elásticas.

Presa de gravedad

Presa de contrafuertes

Presa bóveda

Presa materiales sueltos


1.5.2.-Las deformaciones en las presas En control de las deformaciones en las presas se realizada por varios métodos, desde los externos a través de observaciones de una red microgeodésica, hasta los internos con la instrumentación típica de péndulos, clinómetros, etc. 1.5.2.1.-Métodos Topográficos Con ellos se trata de calcular los movimientos de puntos testigos (Puntos de Control) situados en la Presa, calculando las diferencias de coordenadas (Dx, Dy, Dz) entre una observación actual con otra inicial, es decir, efectuadas en distinto momento físico, referido a un Sistema Fijo. Para desarrollar el método se precisa de una RED DE TRIANGULACIÓN, sus vértices, estarán materializados por hitos de hormigón armado, cimentados sobre roca firme, de una altura libre similar a la de un trípode de la estación, (≈1,20) y de 0,50 m de diámetro. En su parte superior, y empotrada en la misma, tendrá un dispositivo de centrado forzoso, en posición rigurosamente vertical. -Método de Colimación -Mirillas Móviles: Este método se aplica principalmente, para medir los desplazamientos de un cierto número de puntos alineados y normalmente situados en el coronamiento de la presa. Se define una línea recta entre dos puntos que se suponen fijos. Estos suelen estar uno en cada margen materializados por sendos pilares; y también forman parte de la Red de Triangulación, y él o los Puntos de Control intercalados inicialmente en la misma línea. -Puntos Fijos: En lugar de las mirillas móviles, también se utiliza otro método. Colocando en el cuerpo del dique Puntos de Control, fijos empotrados en el hormigón. No es necesario que estén alineados (estación–colimador), por lo tanto, formará un determinado ángulo con esta. El trabajo será determinar el ángulo horizontal que forma la línea (estación - colimador) con la (estación-P. Control); y comparar éste, con el obtenido en la medición inicial. -Itinerario por Poligonales La determinación de la posición de un cierto número de puntos sucesivos de una poligonal sobre la coronación de la presa y / o a través de las galerías horizontales de control de la presa, en diferentes épocas permite obtener las deformaciones sufridas por la presa en un plano horizontal. El método, más preciso que el de la triangulación, exige que los desplazamientos de la presa y de los apoyos, sean medidos con gran precisión. Para obtener valores absolutos de los desplazamientos de la presa y de los apoyos, es suficiente prolongar la poligonal por galerías, unos 50 m o más, en el macizo rocoso, utilizando túneles de sondeo e inyección. Es conveniente relacionar la poligonal del itinerario a los puestos de lecturas de los péndulos, así como a la red de pilares de triangulación exteriores -Nivelación de Precisión Las nivelaciones son ejecutadas para permitir la medición de los desplazamientos altimétricos de los puntos de la presa y del terreno circundante. Se trata de nivelaciones geométricas de precisión, que se obtienen disponiendo las referencias siguiendo criterios particulares.


Las referencias estarán dispuestas de tal manera que se puede disponer de un cuadro general de todos los eventuales desplazamientos de cota, que se verifiquen en la superficie topográfica considerada. 1.5.2.2.-Métodos Mecánicos La vigilancia de estructuras puede darse mediante la aplicación de métodos de medición mecánicos en cuatro grupos principales:

a) Medición de desplazamientos (posiciones relativas). b) Mediciones de presiones del agua (piezómetros). c) Medida de esfuerzos ejercidos y soportados d) Medidas de temperatura.

También podemos citar, el uso de acelerógrafos, para verificar su comportamiento dinámico y en forma complementaria, la aplicación de otro tipo como por ejemplo las hidrometeorológicas. a)-Desplazamientos

En puntos de difícil instalación de equipos, y que no se pueden vincular a la auscultación externa se utilizan: la cinta o alambre de invar, micrómetros, péndulos, clinómetros de burbuja, mira móvil y otros. La vigilancia que se puede realizar e una presa, está dirigida a partes de la misma que se pueden fraccionar para entender mejor su comportamiento. Así pues se establecen:

-Medidas Estructurales. -Medidas de cimentación -Medidas de interacción entre las dos anteriores

La selección del tipo de instrumento depende del tipo de obra, de la factibilidad de instalación, de su costo y sobre todo de la necesidad del dato a obtener.

b)-Presiones de Agua. El agua es uno de los elementos que más difícil resulta controlar en la construcción de grandes obras. Es necesario conocer bien su posición y comportamiento a fin de evitar grandes sorpresas o de evitarse riesgos innecesarios. Las mediciones de la posición del agua en el subsuelo y de la presión de esta en el interior de una estructura (subpresión) tienen diferentes aplicaciones en el desarrollo de una obra. Los aparatos designados a estudiar el comportamiento del agua en el subsuelo se les denominan piezómetros, y trabajan bajo el principio de equilibrar una presión externa, medible, con la presión del agua dentro de la estructura. Existen diferentes modelos según las necesidades de medición: Piezómetro abierto, neumático y eléctrico

-Descripción de Algunos Instrumentos Mecánicos

-Péndulos: -El Péndulo Normal es en principio una plomada que se fija a algún punto de la presa, o en la roca. Por intermedio de ella, es posible determinar en cualquier instante, tanto en la presa como en la roca, la desviación horizontal de numerosas referencias respecto a su punto de fijación. -Péndulo Invertido. Este es un péndulo cuyo alambre es fijado en el extremo inferior, y la tensión está asegurada por un flotador en el extremo superior. Este dispositivo es muy conveniente para el control de puntos situados en la roca, frecuentemente inundados. El flotador se encuentra en cualquier lugar de la presa, obviamente en la vertical donde está fijo el alambre y generalmente en el mismo plano radial del


péndulo normal. De esta forma, se determina el desplazamiento del punto superior del péndulo normal con respecto al punto de roca donde está fijo el péndulo invertido. Estos se conectan a un registrador gráfico continuo en dos direcciones ortogonales, obteniendo instantáneamente las componentes, radial y tangencial del movimiento.

En el péndulo, se comparará el valor de la dimensión “f” en una fecha actual, con la obtenida al iniciar las mediciones (época cero o inicial) esta diferencia en el sentido radial, nos indicará la magnitud del desplazamiento del punto donde está anclado el péndulo normal con respecto al punto donde está anclado el péndulo invertido en la roca de fundación (AA’)

También, se puede medir los desplazamientos intermedios (B-B’), (C-C’),.. (E-E’) si se ha previsto estas series de medidas, y nos posibilita definir el gráfico de la deformación en el plano radial de cada uno de los péndulos. Será de importancia en la interpretación, los datos suministrados por el clinómetro en cada una de las superficies de nivel A, B, C, D, E, E y F. En la actualidad, se reemplaza la escala fija por un "Coordinatógrafo" es decir por una escala portátil que se instala y fija a placas de acero empotradas en el hormigón de la presa. La distancia entre el alambre del péndulo y la pared se determina por medio de un visor óptico con una precisión de 0,1 mm.

-Clinómetros

Los clinómetros son instrumentos que permiten determinar la variación en inclinación de una estructura. Combinados con los péndulos, estos instrumentos facilitan la elaboración e interpretación de las deformaciones detectadas. El inconveniente de los clinómetros es que sus datos son muy localizados El clinómetro mecánico se basa en el principio del nivel de burbuja. Su base oscila entre 0,50 m y 2 m permite la lectura de la inclinación respecto de la horizontal en segundos sexagesimales. Para incrementar la precisión de medida se suele leer en las dos posiciones del clinómetro.


El fotoclinómetro es una variante en el que está instalado un espejo que refleja un rayo de luz emitido por una lamparita, en la dirección hacia el registrador El clinómetro eléctrico se basa en el principio de la plomada. El instrumento contiene un péndulo corto y se fija al hormigón o a la roca. Si la inclinación de la pared cambia, el péndulo modifica su posición relativa a la base del instrumento, la que está fijada sólidamente a la pared.

Alzado de una presa arco-gravedad instrumentada -Instrumentos que miden variaciones de longitud.

Los desplazamientos horizontales, verticales u oblicuos en el interior de la presa se miden mediante referencias de desplazamientos. Se colocan placas inmersas en la estructura de la presa, que acompañarán a la misma en sus movimientos. Las respectivas posiciones de estas, se conocerán por medio de una sonda eléctrica o mecánica que detectará la ubicación del metal. -Asentímetro. También se lo colocará en forma horizontal, a distintos niveles en una presa en tierra y mediremos con estos los desplazamientos horizontales de los contrafuertes y núcleo y se denominará desplazómetro.

Tanto en uno como en el otro, se debe tener sumo cuidado en la ubicación y colocación a fin de evitar que estos tubos se transformen en vías de salida de agua. Con estos instrumentos determinaremos la ubicación de las placas metálicas con la precisión de 1,2 a 2 cm. Los desplazamientos y asentamientos normales se podrán registrar con un seguimiento periódico. En el caso de una anomalía, con toda seguridad, los movimientos serán significativamente, muy superior a los 2 cm.

-Comparadores

Los comparadores son generalmente de acero o invar, con micrómetros y flexómetros incorporados. Ellos permiten un examen simple de las superficies externas de la presa así como las paredes de las galerías y las cimentaciones. Como la medida de la longitud es en general de 0,5 a 1 m, el resultado representa sólo un valor local. El valor de la medición aumenta significativamente cuando se considera la serie completa de mediciones. Por este método, en una galería horizontal o en el exterior de una presa de arco, pueden unirse 5 a 10 bases de medidas, sin espacio intermedio, lo que representa una longitud medida de unos 5 a 10 metros, que combinada con una vertical se obtiene una imagen del la deformación superficial. El distanciómetro es el instrumento indicado para la determinación de variaciones de distancias en mediciones de deformaciones de estructuras y desplazamientos desde 1 a 50 m con una precisión ± 0,02 mm.


En algunas obras se utilizan en las mismas posiciones de los clinómetros, calibres extensímetros y sirven para estudio de las variaciones de medidas en estas bases que se sitúan en zonas de tensión de los materiales.. También hay calibres extensímetros de 150 milímetros utilizados para determinar la separación de dos celdas situadas a ambos lados de una junta radial en presas en arco, en el paramento seco de aguas abajo. Estas mediciones son de gran importancia, para controlar el efecto arco; fundamental para la estabilidad de la presa. Extensímetros de resistencia Eléctrica Sobre todo, en presas de hormigón y de estas en las de arco, es de mucha importancia controlar el estado de las aberturas de las juntas de construcción.

Los extensímetros convencionales ó mecánicos son los adecuados; pero su uso, está limitado al paramento aguas abajo y al interior de las galerías de inspección. En el paramento húmedo y en el interior de las juntas se utilizan los de resistencia eléctrica. El proyectista indicará las zonas que especialmente se deberán colocar estos instrumentos de resistencia eléctrica, y que son similares a los dilatómetros.

En estos el funcionamiento se basa en dos resistencias eléctricas ubicadas en un tubo elástico, cerrado herméticamente, y lleno de aceite anticorrosivo. El rango de mediciones de las deformaciones comunes es de +/- 0.3 mm y las temperaturas desde –20ºC a + 75ºC.También existen otros extensímetros que utilizan el principio de la variación de la frecuencia de resonancia de una cuerda vibrante en función de la tensión sobre ella ejercida.

-Instrumentos de medición de presión -Piezómetros:

Las mediciones de presión en el agua son efectuadas en el interior de las presas, en la base de sus cimentaciones o en la sub-base. Esta presión es llamada subpresión en el caso de una presa de hormigón y presión intersticial en las presas de tierra. El hecho esencial es que la presión hidráulica medida corresponde a la altura de agua que aparece en un tubo piezométrico ubicado en el punto en cuestión. Esta presión puede ser medida directa o indirectamente. Las mediciones indirectas se efectúan con una transmisión eléctrica. En la estación de medición la presión del agua está dada por el registro de la variación de la distancia entre dos membranas. La medición se hace con la ayuda de resistencia óhmica del alambre o por medio de la cuerda vibrante.

1.5.2.2.-Métodos de auscultación automática El objetivo fundamental de la auscultación de una presa es obtener la información necesaria para comprobar su comportamiento y detectar cualquier indicio de las condiciones adversas que permitan valorar la seguridad durante las fases de construcción y de explotación. Con este motivo, se tiende a la instalación de sistemas de control e instrumentación, conectados a una red de comunicación de datos para disponer de información en tiempo real, en definitiva, se trata de monitorizar los controles que se realizan de parámetros topográficos, tensión-deformación, hidráulicos, geotécnicos, sísmicos, etc.


Esquema de un sistema de auscultación automática Para esta evolución han sido fundamentales las técnicas de GPS y de fibra óptica, que se viene utilizando en la auscultación de deformaciones y desplazamientos desde hace algunos años. La progresión de las tecnologías de auscultación y las telecomunicaciones está permitiendo el desarrollo de Sistemas de auscultación automática de grandes estructuras, como son las presas, entre los que se encuentra el DGPS (Differential Global Positioning System), que permite la auscultación con coordenadas absolutas (geodésicas) en continuo y con alarmas en tiempo real, y que se puede integrar con otros métodos de control. A continuación se adjunta un cuadro resumen de las técnicas de control y auscultación para las presas. Cuadro de Técnicas de Control y Auscultación de Presas

Tipo

Técnica de control

Automática

Frecuencia medida (Hz)

Límite de precisión

TOPOGRAFÍA CLÁSICA Fotogrametría NO < 10 -4 Según escala (2)

TOPOGRAFÍA CLÁSICA Topografía con nivel NO < 10 -4 1 mm

TOPOGRAFÍA CLÁSICA/GEODÉSICA

Topografía con estación total

SI

< 0,3

± 0,6mm+1ppm (3)

TOPOGRAFÍA GEODÉSICA

GPS diferencial

SI

10-100

V : 20 mm H : 10 mm (3 mm con proceso) (3)

TOPOGRAFÍA CLÁSICA/ GEODÉSICA

RADAR base (GBSAR)

SI

< 0,001

1-5 mm (4)

TOPOGRAFÍA CLÁSICA/ GEODÉSICA

Láser terrestre

SI

<1

1-5 mm (3)

GEOTÉCNICA Inclinometría SI 1-10 0,1 mm (2)

GEOTÉCNICA Girómetros en superficie SI 1-10 0,05 mm/m (2)

GEOTÉCNICA Extensómetros / Fisurómetros

SI

1-10

V : 0,001 mm H : 0,01 mm (2)

GEOTÉCNICA Piezometría SI < 1 Variable (2)

GEOTÉCNICA /AMBIENTAL

Control meteorol.. (temp.,viento,precip.)

SI

< 1

Variable

Fuentes: Olalla (2007); Leica Geosystems y IDS.


1.6 EDIFICACIONES Este apartado está orientado a edificaciones de gran altura y a las que su estructura es muy esbelta, ya que en estos resulta fundamental realizar un control de los parámetros que afectan a su deformación y a sus movimientos. Esta tarea se puede realizar de forma periódica ó continúa. La singularidad de los edificios altos es el factor que condiciona la conveniencia de auscultación y la instrumentación especifica en cada caso. Ésta hace que los efectos que producen determinadas acciones, presentes en otros edificios de menor altura, puedan ser de una trascendencia completamente distinta en estos edificios. Los efectos se pueden producir en dos fases diferentes en las que la información aportada por esa instrumentación puede resultar muy valiosa: por un lado, a lo largo del propio proceso de construcción, por otro lado, durante la fase de servicio, en la que en estas estructuras, precisamente por su singularidad y esbeltez, puede resultar aconsejable el control de su respuesta frente a viento, sismo, etc. El control y replanteo tradicional se realiza mediante Estación Total con referencias externas a la cota cero y Plomada óptica, pero para evitar los inconvenientes que plantea este, se utiliza el método de control de replanteo del núcleo de los edificios de gran altura mediante un proceso que combina observaciones GPS con clinómetros de alta precisión (apreciación de ± 0,2”), como se hizo en el Burj Dubai (800 m).

1.6.1.-La instrumentación en edificios altos: monitorización. La instrumentación es el conjunto de aparatos y disposición de los mismos en los puntos elegidos por el proyectista para determinar los parámetros de control de comportamiento de la estructura. Cuando la medición es continua y la información de los resultados se automatiza para disponer de ellos en tiempo real pasamos a la monitorización. En la ingeniería, la instrumentación se refiere, generalmente, al examen del estado de las estructuras y los materiales que las constituyen con el auxilio de aparatos y técnicas diversas. Noralmente, cuando se opta por instrumentar un edificio alto, el objetivo perseguido por esa instrumentación no es obtener una información puntual de la respuesta de la estructura, sino hacer un seguimiento de la evolución de la respuesta estructural del edificio, bien sea limitado a su fase de construcción o ampliado a su vida en servicio. En ese sentido, la instrumentación de un edificio alto se concibe y diseña con la idea de monitorizar el mismo, entendiendo por monitorizar: la acción de observar mediante aparatos especiales el curso de uno o varios parámetros para detectar posibles anomalías. La monitorización debe estar enfocada a: 1- Medir, observar o controlar unas determinadas magnitudes o parámetros con el

auxilio de determinados aparatos especiales. 2- Realizar las mediciones de forma más o menos continuada, efectuando un

seguimiento de su evolución en el tiempo (que es precisamente el objetivo perseguido por las instrumentaciones dispuestas en edificios altos);

3- Conseguir una finalidad determinada, respecto a los valores y precisión obtenida.


1.6.2.-Diseño del sistema de monitorización. El diseño de un sistema de monitorización, en general, implica la necesidad de seleccionar: - Los parámetros a controlar según el tipo de proceso a observar (flechas, asientos,

movimientos relativos, deformaciones unitarias, desplomes, giros, velocidades, aceleraciones,..).

- La técnica de medida que permite su medida de forma precisa (extensómetros, transductores de desplazamiento, clinómetros, instrumentos topográficos, otros sensores,..).

- Los puntos de medida más significativos o representativos del fenómeno que se pretende controlar.

Este proceso de selección deberá ir acompañado del establecimiento de unos criterios de interpretación de resultados (normalmente derivados del análisis teórico paralelo del fenómeno que se pretende monitorizar). Para definir, por tanto, el sistema de monitorización se ha de concretar, previamente, las siguientes cuestiones:

- Parámetros que se deben medir - Precisión necesaria de las mediciones - Aparatos y técnicas a utilizar para conseguir los anteriores - Relación de decisiones respecto a los resultados obtenidos

En función de los objetivos que se persigan con la monitorización, la observación podrá limitarse al proceso de construcción o incluir en la misma la etapa de servicio de la estructura, por lo que el tiempo de monitorización podrá variar desde unas decenas de meses hasta varios años. Esta circunstancia influye en el diseño del sistema de monitorización, puesto que será necesario tener en cuenta factores: tales como:

-La resistencia de los aparatos empleados a los agentes atmosféricos -Las dificultades de montaje y de lectura, la precisión alcanzada, por cada sistema, -La cualificación del personal encargado de su seguimiento -La naturaleza del fenómeno a controlar (estático o dinámico).

En el caso particular de edificios altos son importantes los siguientes aspectos: -El acortamiento diferencial de los distintos pilares, -Las deformaciones del edificio por efecto del soleamiento diferencial de las distintas caras o por las variaciones térmicas diarias o estacionales. -Las vibraciones originadas por la acción del viento sobre la estructura, etc. -Las vibraciones producidas por equipos diversos de obra;

1.6.3-Magnitudes a medir. Los sistemas más habituales de monitorización estática incluyen el control de la evolución de las siguientes magnitudes:

- Desplazamientos absolutos: verticales (asientos) y horizontales - Desplazamientos relativos entre dos puntos de la estructura - Deformaciones unitarias: normalmente medidas de forma aproximada (como ∆L/L)

mediante sistemas de medida de desplazamientos.


- Giros: mediante el uso de clinómetros. - Condiciones meteorológicas (intensidad del viento, humedad, temperatura). - Otros: como las reacciones de los apoyos en estructuras hiperestáticas, que

pueden verse alteradas por los movimientos de la cimentación, etc. En el caso de monitorización del comportamiento dinámico frente a viento o sismo, lo habitual es medir aceleraciones, aunque también se pueden registrar otras magnitudes dinámicas siempre que los sensores y técnica empleados permitan ese registro dinámico. Una monitorización durante la vida de servicio de edificios altos consiste en el empleo de extensómetros de fibra óptica embebidos en los pilares de hormigón de planta baja durante su construcción, que permite comparar la respuesta estructural. La instrumentación contempla una combinación de elementos como los topográficos (estaciones totales, niveles de precisión y plomadas), extensómetros, clinómetros, GPS, tensiómetros, acelerómetros, etc.

Alzado y planta de un edificio instrumentado

Esquema de localización de acelerógrafos en el edificio


CAPITULO 2: DEFORMACIONES EN ESTRUCTURAS SOMETIDAS A ESFUERZOS Las deformaciones que se producen en las estructuras aparecen y se desarrollan durante su ejecución debidas al peso propio, cargas muertas y acciones del entorno. Cada estructura al entra en servicio se deformará por la acción de las cargas de uso, por lo que, previamente a la puesta en servicio, se ha de comprobar el comportamiento elástico con cargas equivalentes, midiendo las deformaciones que se producen. Las vigas isostáticas biapoyadas adquieren una deformación parabólica como la de la figura. Los giros y las flechas son función de los esfuerzos (momento M) y la inercia en cada sección.

Deformada de una viga isostática Deformadas de viga continua y discontinua

Esfuerzos en una viga empotrada Esfuerzos en una viga biapoyada

Flechas y giros de deformadas de vigas con distintas cargas 5(a): Continua;

5(b): Carga asimétrica y cargas puntuales.


2.1 ACCIONES EN LAS ESTRUCTURAS Las acciones a considerar sobre las estructuras utilizadas en el diseño y cálculo de las mismas, son función de los usos de cada construcción, y están recogidas por la normativa en los siguientes documentos: - Edificación: Doc. Básico SE-AE Seguridad Estructural (Eurocódigo 2009)

Acciones permanentes - Peso propio - Pretensado - Acciones del terreno Acciones variables - Sobrecarga de uso - Acciones sobre barandillas y elementos divisorios - Viento - Acciones térmicas - Nieve Acciones accidentales - Sismo - Incendio - Impacto

- Puentes de Carreteras: Instrucción sobre las acciones a considerar en el proyecto

de Puentes de Carretera (IAP-11)

- Acciones permanentes de valor constante (peso propio y cargas muertas) - Acciones permanentes de valor no constante (pretensado, reológicas, terreno) - Acciones variables (de uso, climáticas y empuje de agua) - Acciones accidentales (accident. construcción, impacto de vehículos y sísmica)

- Puentes de FFCC: Instrucción de acciones a considerar en Puentes de Ferrocarril

(IAPF-2010) - Acciones permanentes de valor constante (peso propio y cargas muertas)

- Acciones permanentes de valor no constante (pretensado, reológicas, terreno)

- Acciones variables (de uso y climáticas)

- Acciones accidentales (descarrilamiento, impacto y sísmica)

- Interacción longitudinal Vía-Tablero.

2.2 ESFUERZOS PRINCIPALES QUE GENERAN DEFORMACIONES Dependiendo de su posición dentro de la estructura y del tipo de fuerzas que actúan sobre ellas, los elementos o piezas de las estructuras soportan diferentes tipos de esfuerzos. Dichos esfuerzos pueden ser de:

-Tracción, cuando las fuerzas que actúan sobre la pieza tienden a estirarla, tal y como sucede, por ejemplo, con los cables de un puente colgante.

-Compresión, cuando las fuerzas que soporta la pieza tienden a aplastarla, como es el caso, por ejemplo, de los pilares.


-Flexión, cuando las fuerzas que actúan sobre la pieza tienden a doblarla, como sucede con las vigas.

-Cortante o cizalladura, cuando las fuerzas que soporta la pieza tienden a cortarla. Este es el tipo de esfuerzo al que están sometidos los puntos de apoyo de las vigas.

-Torsión, cuando las fuerzas que soporta la pieza tienden a retorcerla. Este es el caso de los ejes, los cigüeñales y las manivelas.

2.3 DEFORMACIONES EN LAS ESTRUCTURAS EN CONSTRUCCIÓN En la fase de redacción del proyecto se han de prever los esfuerzos que los procedimientos constructivos y los pesos propios de los elementos estructurales pueden generar en estos. Para evitar unos esfuerzos excesivos y deformaciones inadmisibles que puedan afectar a estos elementos, se proyectan sistemas auxiliares de sustentación y fijación, que colaboran con la estructura durante el proceso de ejecución y hasta que alcanza su estabilidad y resistencia definitiva. Estas situaciones son especialmente relevantes en:

- Asientos en cimentación de presas y torres - Izado de grandes piezas prefabricadas - Ejecución de forjados y losas aligeradas - Pilas de viaductos empujados - Puentes de viaductos sucesivos. - Tableros de puentes postesados - Tableros de voladizos sucesivos - Pilas y tableros de puentes empujados

2.4 DEFORMACIONES EN LAS ESTRUCTURAS EN SERVICIO Las deformaciones de las estructuras puestas en servicio son las que se producen por las acciones que soporta la estructura y que se ha de ajustar a las consideradas en las hipótesis con la que se calculó la misma. La correspondencia entre las deformaciones reales observadas y las previstas en la fase de proyecto indican la validez y aceptación de la construcción, así como la confirmación de los parámetros referidos a:

-Resistencia de los materiales, -Acciones previstas -Coeficientes de seguridad.

2.4.1-Estados límite Para establecer los límites ó barreras a los estados en que se pude encontrar una estructura sometida a distintas situaciones de carga y otras acciones, la normativa define unos estados límite que delimitan su comportamiento y las actuaciones que requeridas para su funcionalidad.


-Estados Límite de Servicio Un Estado Límite de Servicio (ELS) es un tipo de estado límite que, de ser superado, produce una pérdida de funcionalidad o deterioro de la estructura, pero no supone un riesgo inminente a corto plazo. En general, los ELS se refieren a situaciones solventables, reparables o que admiten medidas paliativas o molestias no-graves a los usuarios. El que un ELS sea rebasado no reviste la misma gravedad que el que un ELU se sobrepasado. En los cálculos de comprobación de los ELS se emplean márgenes de seguridad más moderados que en los ELU. -Estados Límite Últimos Un Estado Límite Último (ELU) es un estado límite, que si se rebasa el total o una parte de la estructura puede colapsar al superar su capacidad resistente. En general, si un ELU se sobrepasa da lugar a una situación grave, ya que puede provocar cuantiosos daños materiales y desgracias personales. Por esa razón los coeficientes de seguridad que se usan en los cálculos que determinan el ELU son mayores que en otro tipo de estados límite. Los Estados Límites habituales son:

• Estados Límite de Servicio (ELS) • ELS de deformación excesiva. • ELS de vibración excesiva. • ELS de fisuración excesiva. • ELS de durabilidad (oxidación, fisuración, etc.)

• Estados Límite Últimos (ELU) • ELU de agotamiento por solicitac. normal (flexión, tracción, compresión) • ELU de agotamiento por solicitación tangente (cortadura, torsión). • ELU de inestabilidad elástica (Pandeo, etc.) • ELU de equilibrio (equilibrio mecánico: vuelco, deslizamiento, etc.).

CAPITULO 3: ELEMENTOS Y POSICIONES CON DEFORMACIONES SINGULARES Los elementos estructuras que componen cada tipo de obra estarán sometidos a esfuerzos específicos para los que se han diseñado, teniendo mayor relevancia los puntos en los las tensiones alcanzan una mayor magnitud. Según la función que desempeñan y su geometría se dan unas tensiones y deformaciones características que se desarrollan a continuación, si bien, pueden darse situaciones de cargas atípicas ó combinación de acciones que den lugar a situaciones excepcionales. 3.1 CIMENTACIONES -Zapatas, sometidas a compresión y excepcionalmente a flexo-tracción. Se miden y controlan los asientos ó desplazamientos verticales sobre el terreno por las presiones que se transmiten a este. -Losas, que trabajan comprimidas, pero en función de su canto tendrán deformaciones por flexión.

http://es.wikipedia.org/wiki/Flexi%C3%B3n_mec%C3%A1nica

http://es.wikipedia.org/wiki/Tracci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Esfuerzo_de_compresi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Esfuerzo_cortante

http://es.wikipedia.org/wiki/Torsi%C3%B3n_mec%C3%A1nica

http://es.wikipedia.org/wiki/Pandeo

http://es.wikipedia.org/wiki/Equilibrio_mec%C3%A1nico


Se miden asientos y deformaciones por flexión en casos especiales.

Se determinan los asientos y giros mediante formulas empíricas, considerando el terreno un medio elástico del que se obtienen sus parámetros básicos mediante ensayos de laboratorio e “in situ”. En las figuras adjuntas se simbolizan los asientos y los giros. Se miden asientos y deformaciones por flexión en casos especiales.

Este tipo de cálculos será especialmente indicado cuando la causa de la deformación sea la presencia de suelos arcillosos blandos bajo la cimentación. Esto puede ocurrir en las cimentaciones de los terraplenes o en los pasos inferiores y más difícilmente en las cimentaciones de las pilas de los puentes o en los muros de contención. En los gráficos adjuntos se observa el comportamiento de un suelo bajo cargas, lo que permite relacionar presión y deformación (Ensayo Edométrico)

ENSAYO EDOMÉTRICO. PARÁMETROS BÁSICOS DE CÁLCULO

-Pilotes, utilizados en cimentaciones profundas que trabajan comprimidos por la

reacción en la punta, por rozamiento del fuste ó por combinación de ambos. Aunque no es habitual pueden estar solicitados a flexión por empuje horizontal del terreno ó por movimientos horizontales de estructuras esbeltas.


Deben ser compactos y continuos y no es habitual medir deformaciones en estos, si bien es recomendable realizar pruebas de carga en cimentaciones especiales de grandes construcciones en por terrenos complejos.

ESQUEMA DE CIMENTACIONES PROFUNDAS (PILOTAJES)

Los cálculos asociados al estudio de las cimentaciones profundas son poco precisos, y por ello la realización de pruebas de carga «in situ» resulta especialmente recomendable. Las pruebas de carga deben realizarse sobre pilotes construidos en terrenos semejantes (preferiblemente, en la propia obra) al caso en estudio y, sobre todo, deben ser construidos con técnicas análogas.

- Estribos de puentes Los apoyos extremos de los puentes (estribos) son estructuras se pueden considerar una cimentación, a medio camino entre los muros y las pilas, al poder soportar ciertos empujes laterales como los muros y las acciones del tablero del puente como las pilas. Probablemente, los aspectos más importantes del comportamiento de los estribos desde el punto de vista geotécnico, y a su vez más fácilmente controlables, son el funcionamiento del sistema de drenaje y los movimientos.

Desde el punto de vista de las deformaciones, se deben controlar:

• Asientos. Mediante nivelación. • Desplazamientos horizontales respecto al tablero en al menos dos puntos de la

junta correspondiente. Se pueden utilizar ternas de base, que proporcionan las dos componentes del movimiento horizontal relativo, en caso necesario.

• Inclinación. En aquellos estribos en los que se esperen movimientos de cierta importancia, pueden colocarse al menos dos bases de medida para clinómetro, para controlar el giro con respecto a los ejes longitudinal y transversal de la estructura.


1. Ternas de bases para la apertura de juntas 2 .Nivelación 3. Bases de clinómetro.

EJEMPLOS DE POSIBLE AUSCULTACIÓN DE UN ESTRIBO

Las deformaciones mayores se suelen localizar en la transición de materiales con diferente módulo elástico, relleno-estribo-tablero y son los puntos críticos.

3.2 EXPLANACIONES Y PERFORACIONES DEL TERRENO Las explanaciones y los rellenos, especialmente, en las obras de carretera deben estudiarse caso a caso, igual que ocurre con las cimentaciones. Esto exigirá un reconocimiento previo del terreno del y la realización de una serie de estudios. Los estudios que han de realizarse para durante el proyecto de un determinado relleno son los relativos al drenaje del apoyo, a la estabilidad global de la obra y a las deformaciones. Estos estudios requieren conocer la estratigrafía del terreno de apoyo, el régimen hidrogeológico local y la deformabilidad del cimiento.

Ensayo Edómetrico (Laboratorio) y de Carga con Placa “in situ”, para determinar la relación tensión-deformación y el Módulo elástico de un suelo.

El reconocimiento geotécnico debe planificarse y ajustarse para la obtención de información relativa a esos tres aspectos fundamentalmente. 3.2.1-Tipos de terrenos: A estos efectos, es conveniente clasificar la dificultad del terreno del relleno en alguna de las categorías siguientes: a)Terrenos teóricamente poco peligrosos: Serían aquellos que cumplen los requisitos siguientes:

-Topografía suave: Pendiente transversal menor que el 10%. -Terrenos resistentes: No es previsible un deslizamiento profundo del cimiento.


-Terrenos poco deformables: A cualquier profundidad (dentro del rango z=0 a z= 5H,

siendo H la altura del terraplén), el módulo de deformación es superior a 20 MPa. -Nivel freático «poco pendiente»: El régimen hidrogeológico local es tal que las

pendientes de la capa freática no superan el 10%. b)Terrenos potencialmente peligrosos: Serían aquellos en los que no se cumple alguna de las cuatro condiciones anteriores. c)Terrenos especialmente peligrosos: Serían aquellos en los que los riesgos de rotura del terraplén son más evidentes. A título de ejemplo, se citan los siguientes:

-Terraplenes a media ladera en zonas de inestabilidad natural previa (antiguos

deslizamientos). -Terraplenes sobre suelos arcillosos blandos, cuya resistencia al corte sin drenaje

puede ser insuficiente para soportar el peso del relleno. -Suelos blandos que requieren técnicas especiales de tratamiento del terreno, para

apoyar el terraplén con asientos moderados. -Terraplenes sobre suelos yesíferos, en los que existan fenómenos de disolución o

puedan producirse como consecuencia de la modificación de las condiciones de drenaje, que introduce el propio relleno.

-Terraplenes a media ladera, con pendientes transversales superiores al 15%. -Condiciones hidrogeológicas localmente adversas. Existencia de fuentes o presiones

de agua en el terreno que puedan aumentar durante la construcción. Una vez clasificada la dificultad del terreno, los reconocimientos geotécnicos deben planificarse según el criterio del especialista, estableciendo un plan de ensayos de campo y laboratorio: -Sondeos mecánicos; -Calicatas; -Ensayos de penetración continuos; -Placas de Carga; -Penetrómetros estáticos o dinámicos y -Ensayos de Laboratorio, que permitan describir con precisión suficiente la resistencia y la deformabilidad. 3.2.2.-Evaluación de asientos El proyecto debe incluir una estimación de asientos de los rellenos que apoyen en cimientos potencial o especialmente peligrosos. El cálculo de asientos, en aquellos casos en los que el cimiento está poco inclinado (menos del 10%, a modo de ejemplo), puede hacerse con la ayuda de soluciones analíticas. En general y especialmente cuando se trate de obras de gran importancia, la evaluación de asientos requerirá la utilización de métodos numéricos a partir de la estimación de la elasticidad del terreno.


Gráfico de Tensión-Deformación de un ensayo de Carga con Placa Para evaluar los movimientos, se tendrá en cuenta, además del movimiento causado por la deformabilidad del cimiento, aquél que se origina por la deformación diferida del propio cuerpo del relleno en cuestión. Este se realiza con la instalación de Células de asiento, que registran los desplazamientos verticales La necesidad de auscultación de un relleno debe determinarse específicamente en el Proyecto, o incluso durante la construcción. Los cimientos que sean potencial o especialmente importantes o problemáticos, bien sea por su naturaleza, dimensiones, condiciones de cimentación o apoyo, o cualquier otra causa deben auscultarse durante la construcción o incluso previamente a la misma, debiendo controlarse al menos:

• Movimientos. • Presiones de agua y caudales.

Otro parámetro a controlar en las explanaciones es el ángulo que forma el talud y la deformación de este, para prever posibles deslizamientos.

Esquema de deslizamiento de taludes


3.3 SOPORTES Y ELEMENTOS VERTICALES Los soportes básicos en las estructuras son los pilares, pilas, muros de carga, todos ellos tienen como finalidad transmitir las cargas verticales y por tanto los esfuerzos dominantes serán los de compresión, combinada con la flexión cuando existen acciones horizontales relevantes. También se considera el pandeo cuando se trata de elementos esbeltos sobre los que actúan cargas excéntricas.

Pilas prefabricadas de viaducto Pilares de hormigón en edificación

3.4 ELEMENTOS DE CONTENCIÓN DE TIERRAS 3.4.1.-Muros y pantallas En multitud de obras civiles se plantea la necesidad de contener las tierras cuando existen dos plataformas a distinto nivel. En estos casos se recurre a la construcción de elementos de contención en sus distintas variantes: Pantallas continuas, pantallas de pilotes, muros de suelo armado ó reforzado, etc. La elección, de una solución de hormigón frente a otro tipo de muro, es un tema principalmente económico. Normalmente, para alturas importantes (del orden de 5 m) resultará más conveniente realizar estructuras de hormigón armado. Por ser los más convencionales, trataremos las deformaciones sobre los muros de hormigón en masa o armado.

a) Muros de contención de desmontes. b) Muros de sostenimiento (o de contención de rellenos).

Los muros que contienen desmontes sin edificaciones u otras estructuras cerca de su coronación, pueden sufrir mayores deformaciones.

ELEMENTOS DE UN MURO DE CONTENCIÓN


1. Terreno natural. 2. Línea de excavación. 3. Plano de apoyo (a inspeccionar). 4. Drenaje de trasdós. 5. Obra de salida del drenaje (inspeccionable). 6. Relleno de trasdós . 7. Cuneta de evacuación de aguas superficiales. 8. Relleno de protección del pie. 9. Auscultación (en su caso). El control de movimiento más elemental en los muros de contención consiste en la nivelación de la coronación del muro. En el caso de que se determine la necesidad o conveniencia de auscultación de los movimientos de un muro resultará del máximo interés la instalación de referencias fijas en su cabeza, de manera que se pueda nivelar sucesivamente en cualquier momento. Pueden instalarse además, referencias de colimación (una al menos, en cada módulo estructural) y medidores de apertura de juntas en cada una de ellas.

Registro de valores de un inclinómetro en una pantalla de hormigón

En la figura superior se observan las deformaciones de una pantalla de contención de tierras controlada mediante inclinómetros, durante la ejecución de las plantas de sótanos. Están marcados los hitos de niveles de excavación y ejecución de forjados


3.5 VIGAS, TABLEROS Y ARCOS 3.5.1- Vigas:

Los elementos estructurales que forman los entramados horizontales, tableros de puentes y arcos, en definitiva, los que soportan las cargas y las transmiten a los soportes, trabajan a flexión. Sus puntos críticos en lo que se refiere a esfuerzos y deformaciones serán los centros de vano, los apoyos y las articulaciones. Los esfuerzos se ajustan a los representados en las figuras inferiores

Las deformaciones típicas de vigas simples hiperestáticas se ajustan al siguiente esquema:


3.5.2.-Tableros: Los elementos transversales que soportan las cargas en los puentes y viaductos se comportan de una forma similar a las vigas, en cuanto a que predomina el esfuerzo de flexión, aunque el análisis de tensiones y deformaciones es más complejo, ya que por sus dimensiones aparecen torsiones. Además de esto, interviene el postesado, el atirantado y otras características del diseño.

Vista superior de tablero Vista inferior de tablero

3.5.3.-Pórticos: Es la estructura más común en las edificaciones y deformación del conjunto queda definida por el desplazamiento de sus nudos y centros de vano. Las deformaciones típicas de los pórticos con carga centrada se ajustan a la representación de la figura adjunta.

3.5.4.-Arcos: Los arcos son la alternativa a las vigas como elemento resistente del plano horizontal, y permite incrementar las luces de vano con menor deformación, ya que su distribución de esfuerzos comprime las dovelas hasta descargar en los apoyos, según se observa en la figura adjunta.


3.6 CUBIERTAS Y BÓVEDAS Las estructuras de las cubiertas básicas se clasifican en Planas é Inclinadas, configuradas con estructuras de tipo cercha metálica, pórtico de hormigón ó de perfil laminado, forjado ejecutado “in situ”, losa aligerada, etc. El esquema habitual de cargas de una cubierta inclinada es el que se adjunta a continuación:

En el caso de las cerchas las deformaciones de las barras están interrelacionadas con la distribución de tensiones en sus nudos.

En el caso de las bóvedas las tensiones se transmiten por compresión de los elementos del arco, siendo los apoyos y la clave los puntos singulares a controlar cuando entran en carga.

Esquema de bóveda de crucería Transmisión de cargas en bóvedas

CAPITULO 4: CONTROL DE DEFORMACIONES Y TOLERANCIAS

ESPECIFICADAS Para la auscultación y el control de las deformaciones en obras civiles se realizan Planes de Control específicos para cada construcción, en función de los parámetros que se han de controlar, pudiéndose agrupar según el Cuadro adjunto:


Cuadro de Instrumentación en las auscultaciones de Obras Civiles

-CONTROL DE DEFORMACIONES

-INTERNAS

- EN SUELOS

- Aros asentimétricos

-Asentímetro de placas -Radio Sonda -Celda de Asentamiento -Inclinómetro

- EN HORMIGÓN

-Extensómetro -Micrómetro deslizante -Inclinómetro -Clinómetro -Péndulo -Poligonación

- EN ROCA

-Extensómetro Múltiple -Micrómetro deslizante -Inclinómetro -Péndulo -Disto Meter

- EN SUPERFICIE - METODOS TOPOGRAFÍCOS

-Triangulación -Trilateración -Poligonación. -Nivelación Geométrica -Colimación

-Medidor triaxial de Juntas

-PRESIONES (o TENSIONES)

- SUELOS - Piezómetros - Celdas de Presión Total

- ROCA Y HORMIGÓN DE LAS ESTRUCTURAS

- Celda de Tensión de anclajes - Tensiómetro para hormigón -Tensiómetro para armadura

CAUDALES DE AGUA

- Medición de Velocidad del Flujo en canaleta de Sección conocida. - Medición de tiempo de llenado en volumen conocido - Aforador a resalto hidráulico - Aforador por vertedero.

- VARIOS -TEMPERATURA Termómetro / Termocupla

- SÍSMICA Acelerómetro de máxima y de grandes movimientos

Sismoscopios y sismógrafos


4.1 METODOLOGÍA DE CONTROL Y NORMATIVA La metodología a emplear en el control de deformaciones será la establecida por el Proyectista de la obra en cuestión, si se trata de obras de nueva construcción ó por la Propiedad (Administración) de la misma en obras en servicio ó explotación. En ambos caso, es habitual que se requiera el asesoramiento de empresas especializadas del sector de la instrumentación. Se requiere corroborar los resultados con metodologías independientes y que den una exactitud mejor o igual a la obtenida

Los trabajos topográficos son necesarios en todas las etapas del proyecto: -Levantamientos preliminares -Diseño y replanteo

Consideraciones fundamentales en la metodología:

-El conocimiento de la obra, del suelo, de características de los materiales, etc. -La estabilidad de la ubicación de los instrumentos de medición. -La determinación correcta de los parámetros atmosféricos, -La revisión de las constantes del instrumento utilizado. -La elección de los puntos de observación y de apoyo para el control. -La precisión requerida en cuanto a los desplazamientos esperados. -Realizar un control con nivelaciones de precisión -Utilizar los equipos que garanticen mayor precisión horizontal.

En todos los casos se parte de un documento básico de referencia que define las actuaciones, método de control, precisión de medidas, etc., que según los casos será:

-Proyecto de Prueba de Carga (edificios, puentes, etc.) -Plan de Auscultación (túneles, presas, etc.) -Programa de Vigilancia (presas). -Programa de monitorización, etc.(edificios, túneles, presas, etc.)

Todos ellos basados en la normativa de referencia de carreteras, tuéneles, presas, etc., como son:

-Documento SE-AE Seg. Estructural. Acciones en la Edificación (Eurocódigo).

-Recomendaciones para realización de Puentes de Carretera (M. Fomento).

-Instrucción de acciones sobre puentes de carreteras (IAP)

-Instrucción de acciones sobre puentes de ferrocarril (IAPF)

-Instrucción para el proyecto, construcción y explotación de Presas (1967),

-Reglamento Técnico de Seguridad de Presas.

-Guías Técnicas de Seguridad de Presas (CNEGP)

4.2 AUSCULTACIONES Y MONITOREO Las obras civiles requieren de un conocimiento de su comportamiento desde el punto de vista estructural, para limitar los riesgos y que sirvan de referencia para nuevas técnicas y proyectos.


4.2.1.-Auscultaciones La auscultación es aquella actividad que realiza el seguimiento del estado de las acciones y deformaciones en una estructura u obra civil, que requiere se apoya la contribución de varias disciplinas, como la topografía, la instrumentación de precisión y la electrónica para cumplir sus objetivos. La contribución de la topografía a estas tareas es fundamental y está vinculada directamente con otras especialidades del proceso constructivo y su control. Con los resultados obtenidos en los controles topográficos, complementados con otros métodos, se determina si el comportamiento de la construcción se ajusta a las hipótesis utilizadas en los proyectos, y si se inician actuaciones correctoras. La auscultación tiene como finalidad verificar y comprobar el buen estado de obras y estructuras, para asegurar un servicio adecuado y seguro.

Esquema de distribución de esfuerzos y puntos de auscultación Se ha de realizar tanto en la etapa de construcción como en la etapa de servicio, partiendo de la elección del método y de los equipos adecuados para detectar anomalías, que permitan:

-Optimizar la seguridad. -Retroalimentar para nuevos proyectos. -Mejorar la en eficiencia con metodologías contrastadas. -Reducir los riesgos y costos mediante una adecuada planificación.

En conclusión, los objetivos que persigue la auscultación de las obras civiles son: - Garantizar la seguridad de las obras mediante la detección preventiva de las

deformaciones y desplazamientos anómalos. - Mejorar del conocimiento de los efectos producidos por las acciones para cada

parámetro considerado. Las auscultaciones se realizan en diverso ámbitos en los que se requiera conocer movimientos, deformaciones, alteraciones del terreno, etc. y en lo que respecta a la construcción, edificaciones, infraestructuras, presas de embalse, túneles, presas, etc. Estas auscultaciones se pueden clasificar según la siguiente relación: -Auscultación hidráulica: con medición de infiltraciones y caudales -Auscultación térmica: con mediciones de temperatura ambiente e interna. -Auscultación deformacional y tensional: realizada por métodos topográficos e instrumentación.


-Auscultación geodésica: realizada con equipos topográficos de precisión 4.2.2.-Escáner: Cada es más habitual el uso de de escáner para crear una malla de puntos y determinar las deformaciones tridimensionales de superficies. -Pilones de viaductos, tanques de combustible, presas, etc. 4.2.3-Monitoreo Se define la monitorización ó monitoreo como la actividad de seguimiento y control de algo mediante dispositivo electrónico visual o acústico, que permite seguir el desarrollo de un fenómeno o proceso, o el funcionamiento de un aparato.

En las obras de cierta relevancia ó riesgo potencial, se tiende a la implantación del monitoreo para disponer de mediciones en tiempo real. Este requiere de un plan estratégico de selección de puntos singulares donde las acciones son más significativas, y un sistema de instrumentación acoplado a esos puntos conectados a un registro de mediciones en tiempo real. La finalidad de los instrumentos instalados es medir las aceleraciones a las que está sometida una estructura, para varios fines:

-Estudiar el comportamiento de edificios, puentes, etc. ante acciones dinámicas, sísmicas, viento, etc.

-Establecer métodos para la evaluación de daños en estructuras -Determinar las variaciones en las señales por el efecto del comportamiento dinámico

de cada estructura, con el fin de realizar comparaciones entre los modelos matemáticos empleados durante el diseño del mismo y las observaciones “reales”

-Para conocer la amplificación de los movimientos, se colocan instrumentos a diferentes alturas de las estructuras

4.2.3.1-Tratamiento y transmisión de resultados. La elevada cantidad de puntos de control presentes en la monitorización y, sobre todo, la necesidad de un seguimiento intensivo de los mismos a lo largo de todo el proceso constructivo y, muchas veces, posteriormente durante su vida en servicio, hace necesario que su lectura se realice de forma automática y permanente.

Sección de monitoreo y gráficos en ejecución de un Túnel de Metro


Por su parte, la monitorización dinámica de edificios altos tiene como objetivo básico el control de la respuesta del edificio frente a fenómenos dinámicos (viento, sismo,…) En este tipo de monitorizaciones es habitual la medida de aceleraciones así como de velocidades y dirección del viento, si bien también es posible el registro de otras magnitudes (desplazamientos, deformaciones unitarias, giros, velocidades, fuerzas) siempre que se cuente con sensores adecuados para ello. La monitorización dinámica estará siempre asociada al empleo de acelerómetros, anemómetros y otros sensores electrónicos, dependiendo de las magnitudes medidas, junto a sistemas de registro, normalmente basados en ordenadores asociados con módulos acondicionadores de señal, dotados de tarjetas de adquisición de datos y con otros elementos auxiliares El equipo de control está constituido, normalmente, por un ordenador dotado de los complementos adecuados (interfaces, monitor, unidad grabadora de CD o DVD, impresora, etc.), que dispone de aplicación software que lleva a cabo la interrogación a cada uno de los nodos de medida con la periodicidad deseada, así como el almacenamiento de las distintas variables de entrada, procedentes de la instrumentación anteriormente dispuesta. Es habitual la representación gráfica sinóptica de la información, organizada, por ejemplo, según las distintas plantas o niveles de instrumentación, con el fin de presentar la información recogida de una manera intuitiva. Sobre estos croquis se visualizan numéricamente de forma continua los valores más recientes, en unidades de ingeniería, medidos por los distintos sensores. El sistema puede desarrollarse de forma que el operador pueda seleccionar entre distintas pantallas posibles para visualizar la información más relevante en cada momento.

Paneles de presentación de tensiones y evolución histórica de resultados en la

monitorización de un edificio alto.

La conexión de estos equipos remotos puede hacerse a través de una red de área local (LAN), que puede incluir o no tramos inalámbricos (WiFi IEEE 802.11) o, llevado al extremo en caso de equipos físicamente muy distantes, a través de Internet. En el caso de monitorización dinámica (fundamentalmente ya en fase de servicio), lo habitual es disponer equipos dotados de un sistema de disparo automático, que solo registran los datos, controlados permanentemente, cuando la magnitud medida supera un umbral preestablecido. Este nivel umbral que activa el registro puede ser prefijado indistintamente en cualquiera de los sensores dispuestos, siendo configurables tanto el tiempo de pre-evento como el de post-evento, de forma que se garantice que en ningún caso se pierda información que pudiera ser de utilidad.


4.3 PRUEBAS DE CARGA La prueba de carga sobre una estructura es un conjunto de operaciones consistente en la reproducción de uno o varios estados de carga sobre la misma, antes de su puesta en servicio, con objeto de confirmar que el proyecto y construcción de la obra se han llevado a cabo de forma satisfactoria, o bien durante la su vida útil para comprobar su estado y capacidad resistente. Con este objeto se necesita comprobar que, para unas situaciones concretas con cargas representativas de las acciones a las que va a estar sometida durante su vida en servicio, el comportamiento de la estructura se ajusta a las previsiones de proyecto. Pueden realizarse con cargas estáticas ó dinámicas, según lo especificado para cada caso, ya que estás pruebas se han de ajustar a un proyecto específico y la normativa correspondiente, según del tipo de estructura que se trate.

Prueba de carga sobre una viga Prueba de carga sobre una pasarela peatonal 4.3.1.-Prueba de carga estática sobre puentes de carretera La realización de las pruebas de carga en España ha de cumplir con lo especificado en dos documentos:

- Recomendaciones para la realización de Pruebas de Carga en Puentes de Carretera, de la DGC del Ministerio de Fomento. Este documento desarrolla la disposición de la IAP-11 sobre pruebas de carga. Al no existir una nueva versión, continúa vigente respecto a la IAP-11

- Instrucción sobre las Inspecciones Técnicas en puentes de ferrocarril (ITPF-05).

Enfocando las pruebas de carga a puentes de carretera, estudiamos los siguientes aspectos: 4.3.1.1-Obligatoriedad de las pruebas de carga La prueba de carga estática es obligatoria para todas las obras de paso de nueva construcción de luz igual o superior a 12 m. La prueba de carga dinámica es obligatoria según EHE art 101.2 para puentes de luces superiores a 60 m o características inusuales. 4.3.1.2.-Número de puntos de medida Es obligatoria la medida al menos de la flecha en centro de vano, estando recomendada la medida también de los descensos de apoyos, sin bien es habitual medir además a cuartos de luz.


Se debe controlar la sección completa del puente, lo que implica medir un par de puntos si la sección puede sufrir torsión o al menos 3 vigas en un puente de esta tipología. 4.3.1.3-Efectos térmicos El soleamiento puede acarrear curvatura en la sección y con ello producir deformaciones durante la prueba de carga (normalmente contraflechas), por ello las recomendaciones indican que se mida temperatura en las caras inferior y superior de la estructura al tiempo que se toman las flechas. Aunque normativamente no se explicita sí parece lógico que el protocolo de prueba de carga contenga correcciones para el efecto del gradiente térmico en la sección, fundamentalmente si esta se realiza en lugares soleados. 4.3.1.4-Niveles de carga e hipótesis Los esfuerzos obtenidos en la prueba de carga deben estar en el orden del 60% de los generados por la sobrecarga de proyecto, sin llegar a sobrepasar el 70%. En el caso de realizarse la prueba de carga antes de la colocación de la carga permanente esta se podrá (no obligatoriamente) simular como una carga que se coloque en la estructura antes de la realización de la prueba de carga. No se incrementará la sobrecarga móvil de la prueba por ello. En general se realizará una prueba cargando todo un vano en los puentes isostáticos, mientras que en continuos se cargaran parejas de vanos continuos y alternos.

Prueba de carga en puente atirantado Nivelación durante una prueba de carga 4.3.1.5.-Escalones de carga Se recomienda disponer cada estado de carga en al menos dos escalones, esperando a la estabilización de las flechas entre ellos. La carga correspondiente a cada estado se aplicará en varias fases o escalones de manera que se pueda registrar la respuesta progresiva de la estructura en las zonas críticas. En general, se aconseja aplicar la carga en un mínimo de dos escalones. De forma complementaria, y siempre que el equipo de medida permita llevar a cabo la adquisición de datos con rapidez, se efectuará una lectura de los parámetros controlados tras la entrada o salida de cada uno de los camiones o fila transversal de camiones. El proceso de descarga se llevará a cabo, en general, en escalones análogos y en orden inverso al proceso de carga.


En general, salvo que se justifique lo contrario en el Proyecto de la prueba, no será necesario esperar a la estabilización de las medidas entre dos escalones de carga. Transcurridos 10 minutos se obtendrá una nueva medida en dichos puntos f0. Si las diferencias entre los nuevos valores de la respuesta y los instantáneos son inferiores al 5% de éstos: f10 – f0 < 0,05 f0 ó bien son del mismo orden de la precisión de los aparatos de medida, se considerará estabilizado el proceso de carga. Si no se satisface la condición anterior, se mantendrá la carga durante un nuevo intervalo de 10 minutos, considerándose cumplido el requisito de estabilización si, realizada la medida al final del mismo f20, la diferencia de medidas correspondiente a este intervalo es inferior al 20% de la diferencia de medidas correspondiente al intervalo anterior, o bien es del orden de magnitud de la precisión de los aparatos de medida:

f20 - f10 < 0,2 (f10 – f0) Después de descargar totalmente la estructura, se esperará a que los valores de las medidas estén estabilizados, aplicando el mismo criterio seguido para el proceso de carga. 4.3.1.6-Criterios de aceptación de la prueba Además de la ausencia de signos de agotamiento las recomendaciones indican dos valores objetivos de superación. -Criterio de remanencia: La flecha final de la estructura (tras la retirada de la carga) debe ser inferior a un porcentaje de la flecha máxima:

• -20% en puentes de hormigón • -15% en puentes mixtos • -10% en puentes metálicos

-Criterio de flecha máxima:

Según las recomendaciones, en puentes pretensados la flecha no deberá superar un 10% la flecha prevista en proyecto, en mixtos un 15%. En caso de que los valores de flecha no alcancen el 60% de los teóricos deberá realizarse una justificación. La EHE indica que para estructuras armadas no pretensadas el margen será del 15%. En la práctica los módulos de elasticidad del hormigón varían lo suficiente como para hacer difícil la apreciación del criterio de flecha máxima, por lo que suele darse preponderancia al criterio de remanencia, que garantiza que no se han producido plastificaciones importantes en la sección.

4.3.1.7- Vehículos para la prueba de carga Para la realización de la prueba de carga se utilizan camiones cargados (26 T) de tres ejes ó de cuatro ejes (38 T), esquematizados según la figura adjunta para que el proyectista defina el reparto de cargas según la posición de los camiones y sus ejes. La posición de estos vehículos será función de la tipología de la estructura y de los esfuerzos que pretender generar en la misma, para comprobar las deformaciones estimadas en cada posición de carga


Esquema de camiones utilizados en las pruebas de carga de puentes 4.3.2.-Prueba de carga dinámica sobre puentes de carretera La obligatoriedad de la realización de pruebas de carga dinámicas viene regida por la EHE art 101.2 y referida a ella en las Recomendaciones. La prueba de carga dinámica resulta obligatoria cuando la luz supere los 60 m o la tipología de la estructura no sea usual o se prevean flechas elevadas en la misma. Las recomendaciones indican que los resultados medidos podrán ser:

• Líneas de influencia • Acelerogramas • Espectros de frecuencia • Modos de vibración • Coeficientes de impacto • Amortiguamiento

En general, no obstante, el objetivo es comprobar que el comportamiento dinámico de la estructura es el previsto en proyecto, no produciéndose vibraciones indeseadas. Para ello será suficiente con obtener la frecuencia y modo fundamental de la estructura y si acaso el amortiguamiento real. 4.3.2.1-Excitación de la estructura La excitación será en general un vehículo avanzando a velocidad constante por la estructura con diferentes pasadas a distintas velocidades:

Parámetro Tren Velocidad Obstáculo Línea de influencia 1 camión Lenta No Frecuencia 1 camión Media y rápida Opcional Amortiguamiento 1 camión Media y rápida Opcional Impacto 1 camión Lenta, media y rápida No Aceleración 1 camión o más Media y rápida No

La velocidad lenta es a menos de 5 km/h, la media a 30-40 km/h y la rápida a más de 60 km/h. El obstáculo a que se refiere es un tablón normalizado que hace saltar al camión, provocando una excitación extra. A pesar de lo indicado en las recomendaciones en ocasiones es necesario hacer circular varios camiones conjuntamente para dar lugar a una señal suficiente para poder ser medida y analizada.


4.3.2.2.-Instrumentación La instrumentación habitual son acelerómetros, controlando normalmente la flecha en centro de luz, si bien resulta necesario colocar en otros puntos (cuartos de luz) si se desea obtener datos de los modos de vibración simétricos. 4.3.2.3.-Criterios de aceptación La normativa no establece criterios de aceptación para estas pruebas, si bien lo razonable es comparar con los valores teóricos y comprobar que estos no se superan o lo hacen en pequeña magnitud (orden similar a las admitidas en prueba estática). Habitualmente los resultados de las pruebas dinámicas son mejores a lo previsto en cálculo, pues en los cálculos se desprecia la colaboración de barandillas, y firmes (no así del balasto que es obligatorio considerar en puentes ferroviarios). En concreto los valores de amortiguamiento medido suelen estar muy por encima de los indicados en la normativa. 4.3.3.-Pruebas de carga en puentes de ferrocarril La realización de pruebas de carga en España se rige normalmente por dos documentos: • Recomendaciones para la realización de Pruebas de Carga en puentes de

carretera, 1999 de la DGC del Ministerio de Fomento. Al no existir una nueva versión se entiende que continúa vigente respecto a la IAP

• Instrucción sobre las Inspecciones Técnicas en puentes de ferrocarril (ITPF).

Vamos a centrarnos en las pruebas de carga de puentes de ferrocarril. 4.3.3.1.-Obligatoriedad de las pruebas de carga La prueba de carga estática y dinámica es obligatoria para todas las obras de paso de ferrocarril a los que se aplique la IAPF-07 (nueva construcción o ya existentes reforzadas) de luz igual o superior a 10 m. Se excluirán las obras con más de 2.5 m de montera de tierras mediada esta desde la clave al apoyo de balasto. Se realizaran además pruebas de carga si las inspecciones principales lo aconsejan y cada 15 años en metálicos no soldados y cada 30 años en metálicos o mixtos soldados. En general los puentes de nueva ejecución llevan dos pruebas de carga, una tras la ejecución de la estructura (sin balasto y con camiones) y otra cuando se ha colocado el balasto y vías, ya con trenes. 4.3.3.2.-Pruebas simplificadas Se podrán hacer simplificaciones en los viaductos de luces repetidas, si bien la instrucción no especifica que simplificaciones. 4.3.3.3.-Número de puntos de medida No se especifican, si bien se indica que se medirán flechas y también movimientos en apoyos. Lo habitual es instrumentar el centro de vano y los apoyos. 4.3.3.4-Efectos térmicos La radiación solar puede originar curvatura en la sección y deformaciones durante la prueba de carga (normalmente contraflechas), por ello las recomendaciones para carreteras indican que se mida temperatura en las caras inferior y superior de la


estructura al tiempo que se toman las flechas, mientas que las de ferrocarril indican que se “consideran los posibles efectos de temperatura y humedad” Aunque normativamente no se explicita sí parece lógico que el protocolo de prueba de carga contenga correcciones para el efecto del gradiente térmico en la sección, fundamentalmente si esta se realiza en lugares soleados. 4.3.3.5.-Niveles de carga e hipótesis Los esfuerzos obtenidos en la prueba de carga estática deben estar en el orden del 60% de los generados por la sobrecarga de proyecto, sin llegar a sobrepasar el 70%. En las pruebas de carga con camiones resulta muy complicado, cuando no imposible, alcanzar este nivel de carga, pues las cargas ferroviarias son muy superiores a las reales de carretera. Por este motivo, en estas pruebas simplemente se suele cargar todo el vano con dumpers de tierras y se justifica no es posible cargar más.

Prueba de carga de viaducto de AVE Trasductor de medición de deformaciones 4.3.3.6.-Escalones de carga Se recomienda disponer cada estado de carga en al menos dos escalones, esperando a la estabilización de las flechas entre ellos. 4.3.3.7.-Criterios de aceptación de la prueba Además de la ausencia de signos de agotamiento las recomendaciones indican dos valores objetivos de superación. -Criterio de remanencia: La flecha final de la estructura (tras la retirada de la carga) debe ser inferior a un porcentaje de la flecha máxima:

- -20% en puentes de hormigón - -15% en puentes mixtos - -10% en puentes metálicos

-Criterio de flecha máxima: En puentes pretensados la flecha no deberá superar un 10% la flecha prevista en proyecto, en mixtos o armados un 15%. En caso de que los valores de flecha no alcancen el 60% de los teóricos deberá realizarse una justificación. En la práctica los módulos de elasticidad del hormigón varían lo suficiente como para hacer difícil la apreciación del criterio de flecha máxima, por lo que suele darse preponderancia al criterio de remanencia, que garantiza que no se han producido plastificaciones importantes en la sección.


4.3.4.-Pruebas de carga dinámicas en puentes de ferrocarril La obligatoriedad de la realización de pruebas de carga dinámicas viene regida tanto por al IAPF 07 como por la “Instrucción sobre inspecciones técnicas en puentes de ferrocarril” (ITPF-05). Las magnitudes a evaluar serán la frecuencia principal de vibración o, en su defecto, la correspondiente al modo excitado durante la prueba, su amplitud, el amortiguamiento, el coeficiente de amplificación dinámica o de impacto, las aceleraciones verticales en el centro de vano y los desplazamientos horizontales de apoyos, en su caso. 4.3.4.1.-Instrumentación La instrumentación habitual son acelerómetros, controlando normalmente el centro de luz, si bien resulta necesario colocar en otros puntos (cuartos de luz) si se desea obtener datos de los modos de vibración simétricos. 4.3.4.2.-Criterios de aceptación La normativa no establece criterios de aceptación para estas pruebas, si bien lo razonable es comparar con los valores teóricos y comprobar que estos no se superan o lo hacen en pequeña magnitud (del orden de las superaciones admitidas para la prueba estática). 4.3.5.-Pruebas de carga en edificación En el caso de las edificaciones las pruebas de carga se realizan para comprobar capacidad resistente y deformaciones, básicamente de elementos horizontales: vigas, forjados y losas. La carga a colocar se asimila a la sobrecarga de uso y se utilizan piscinas prismáticas por la facilidad para su instalación y de regulación de carga con el nivel de agua. Las deformaciones se miden con flexímetros (precisión de 0,1 mm), nivel de precisión y mira invar, etc.

Prueba de Carga de forjado con piscinas Flexímetro para medir flechas

4.4 INSTRUMENTACIÓN Y PRECISIÓN DE MEDICIONES 4.4.1.-Instrumentos utilizados Los Instrumentos utilizados para el monitoreo de estructuras ó para el control geotécnico de obras de tierra son:

- Acelerómetro (controla el movimiento en tridimensional y la duración) - Extensómetros (desplazamientos lineales) - Clinómetros (medición de giros) - Inclinómetros (desplazamientos en la vertical)


- Piezómetros (medidores de presión hidrostática) - Celdas de presión (presión de cargas) - Celdas de asentamiento (medición de asientos a distintas alturas) - Termómetros (control de variación de temperaturas) - Medidores de convergencia (variaciones lineales de secciones) - Flexímetros (medida de deformaciones) - Galgas extensométricas (medida de deformaciones)

Flexímetros (±0,01 mm) Galga extensométrica Acelerógrafo para desplazamientos 3D El flexímetro mide deformaciones por contacto de la pieza deformada con el pulsador, pero tiene como inconveniente la dificultad de instalación en puntos de gran altura y su lectura posterior. Por el contrario los trasductores como la galga extensométrica envían la señal al monitor sin necesidad de accede al punto controlado. El acelerómetro es un instrumento con tres sensores ortogonales entre sí, que registran el movimiento del suelo en la componente norte-sur, este-oeste y vertical El registro se realiza en el acelerograma y permite determinar la duración del movimiento sísmico en el sitio y los valores de aceleración máxima a los que ha sido sometida la estructura 4.4.2.-Precisión y Rango de las Medidas Los documentos (proyectos, planes, procedimientos, etc.) que definen y regulan las operaciones referidas a la instrumentación, auscultación, monitorización, pruebas de carga y cualquier comprobación que se realice sobre una estructura deben incluir la precisión y el rango de las mediciones esperadas, por lo que estas se deben conocer con anterioridad a la actividad que corresponda. Por tanto, antes de proceder a la medición se conoce el rango de las magnitudes que se van observar y qué precisión requieren estas, lo que incide directamente en la elección del aparato a utilizar. Es fundamental de antemano determinar dos aspectos.

1. Magnitud Teórica Máxima, prevista de cada deformación. Intervienen los cálculos de proyecto, pruebas de laboratorio (modelos reducidos) y sobre todo la experiencia en construcciones similares. Sería inútil disponer de aparatos de medida que no se ajusten al rango de la medida de la deformación.

2. Precisión y errores de los aparatos de medida. Será necesario hacer un estudio de

errores y precisión de cada aparato, para que el error de la medida no sobrepase la magnitud del movimiento, lo que dificultará la interpolación.


En general, las deformaciones a medir suelen estar comprendidas en un rango de entre el milímetro y unos pocos centímetros. Los aparatos más precisos utilizados miden hasta la centésima de milímetro. Así, sería inútil utilizar un distanciómetro con una desviación típica de ±(3 + 3) ppm, si los movimientos a detectar son de ± 1 mm, de magnitud. Se recomienda usar una unidad superior al movimiento. Es preciso un estudio de los errores para cada sistema de medidas. En él tendremos en cuenta las precisiones y características de cada aparato, los errores accidentales posibles debidos a su utilización, y un cálculo estadístico de probabilidad de cometer el máximo error. También las formas de evitar o corregir estos errores a fin de obtener mejores resultados. Fundamentalmente, con los Métodos Topográficos hay que medir ángulos, distancias y desniveles, todo ello con aparatos de gran precisión .Así en los teodolitos ó estaciones es necesario que se aprecie como mínimo el segundo (centesimal), en nivelación se usarán miras “invar” con niveles con cuña estadimétrica y micrómetro óptico de cristal de caras plano paralelas, para apreciar hasta 0,02 mm. Las técnicas han tenido una gran evolución y se utilizan los aparatos topográficos con ayuda electrónica, que mejoran los métodos utilizados. Así hay distanciómetros que aprecian ± (1 + 1 ppm) que usados para medir distancias a menos de 500 metros aseguran 1,5 mm y teodolitos o E.T. que registran y transmiten a un ordenador los datos medidos en el campo. 4.5 TOLERANCIAS ESPECIFICADAS 4.5.1. Estructuras metálicas Para el caso de las estructuras metálicas las tolerancias están condicionadas por los valores máximos admisibles en función de sus dimensiones y con carácter general están recogidas en la Instrucción de Acero Estructural (EAE).

La comprobación del Estado Límite de Deformaciones tendrá que realizarse en todos los casos en los que las deformaciones puedan afectar a la estética, funcionalidad o durabilidad de la estructura o de los elementos por ella soportados. Los valores máximos admisibles de las deformaciones dependen del tipo y función de la estructura, de las exigencias funcionales y de confort que deba satisfacer y de las condiciones que puedan imponer otros elementos no estructurales que se apoyen en ella, que a su vez pueden estar afectados por el tipo de montaje que se utilice. Por todo ello, los valores límites que se recomiendan son de carácter semiempírico meramente indicativo. En cada Proyecto, los valores límites máximos deben ser acordados entre el cliente, el proyectista y la eventual Autoridad competente, según la naturaleza de las características particulares correspondientes. Dichos valores deben figurar explícitamente en la Memoria y/o Planos del Proyecto, junto con las posibles exigencias, de índole técnica, constructiva o arquitectónica, asociadas a dichos valores límite, si las hubiere. En las estructuras metálicas, cuando sea previsible una deformación importante bajo cargas permanentes, puede ser aconsejable o incluso necesario (en el caso de puentes por ejemplo) establecer una contraflecha de ejecución en taller.


A efectos del control de las deformaciones verticales, se establecen las siguientes definiciones, según el esquema representado la figura adjunta:

Definición de flechas verticales

wc= contraflecha de ejecución en taller del elemento metálico (descargado) w1= flecha inicial bajo la totalidad de las cargas permanentes actuando sobre la estructura w2= componente diferida de la deformación bajo cargas permanentes w3= flecha debida a la acción de las sobrecargas, bajo la combinación que resulte pertinente wtot= flecha total, suma de (w1+w2+w3) wmax= flecha total aparente descontando la contraflecha (wtot-wc) wactiva= flecha activa, en general suma de (w2+w3) = (wtot-w1)

En caso de procesos constructivos evolutivos, y a efectos de evaluar con mayor precisión el riesgo de deterioros en un elemento (tabique, solado, cerramiento, etc.), la flecha activa debería incorporar, además, la posible fracción de w1 debida a las cargas permanentes aplicadas a la estructura con posterioridad al momento en que se construye o instala dicho elemento. A efectos del control de deformaciones horizontales, se establece el esquema representado en la figura, siendo:

Definición de deformaciones horizontales

u= flecha horizontal total del edificio o estructura de altura H u2= flecha horizontal, relativa entre cotas de forjado, de cada nivel o planta de altura Hi


4.5.1.1.- Límites de deformaciones en edificios (según EAE) Los valores límites recomendados por la EAE en los siguientes subapartados son valores indicativos, de carácter semiempírico, que pueden ser considerados como valores límite, salvo que otros valores más restrictivos (o, excepcionalmente, menos restrictivos) sean acordados entre las partes implicadas.. Las deformaciones en la estructura de un edificio metálico deben calcularse según criterios elásticos, aunque en algunos casos poco habituales puede resultar preciso considerar la influencia de un cierto nivel de deformaciones elastoplásticas bajo solicitaciones de servicio. -Deformaciones verticales En la tabla adjunta se incluyen los valores límite indicativos recomendados para las flechas verticales, referidos a un vano de luz “L”. En el caso de voladizos, se adoptará como L el doble de la longitud del voladizo. Los valores límite indicados corresponden a las deformaciones obtenidas con la combinación de acciones rara.

Valores límite indicativos recomendados para las flechas verticales

Tipo de Elemento

Valores límite

(wactiva) -Cubiertas (accesibles sólo para mantenimiento)

L/250

-Cubiertas accesibles (con carácter general)

L/300

-Vigas y forjados (en ausencia de elementos frágiles susceptibles de deterioro)

L/300

-Vigas y forjados soportando tabiques ordinarios o solados

rígidos con juntas

L/400 -Vigas y forjados soportando elementos frágiles: tabiques, cerramientos o solados rígidos

L/500

-Vigas soportando pilares

L/500

-Vigas soportando muros de fábrica

L/1000

En elementos vistos, que puedan afectar a la apariencia del edificio, la flecha total aparente Wmax debe limitarse a L/250 para la combinación característica y a L/300 para la quasi-permanente. En vigas carrileras de pórticos grúa la Wactiva máxima no superará el valor L/700, aunque se recomienda fijar un valor límite específico para cada proyecto particular, en función del uso y tipo de equipamiento. - Deformaciones horizontales En la tabla inferior se incluyen los valores límite orientativos recomendados para las flechas horizontales, u y ui, referidos, respectivamente, a la altura total del edificio H o de cada piso aislado Hi (ver figura 37.1.b). Las flechas horizontales se calcularán para las sobrecargas correspondientes a la combinación de acciones rara.


Valores límite indicativos recomendados para las flechas horizontales Condiciones

Valores límite - Pórticos de cubiertas (en ausencia de

elementos frágiles susceptibles de deterioro)

u ≤ H/150 -Edificios de una planta (en ausencia de

elementos frágiles susceptibles de deterioro)

u ≤ H/300 - Edificios de varias plantas: - total de la estructura - en cada planta - en cada planta con tabiques, cerramientos o solados frágiles

u ≤ H/500

ui≤Hi/300

ui≤Hi/500 - Edificios esbeltos de gran altura u ≤ H/600

En vigas carrileras de pórticos grúa la flecha máxima horizontal puede limitarse, de forma orientativa, a L/800, aunque se recomienda fijar un valor límite específico para cada proyecto particular, en función del uso y tipo de equipamiento. Asimismo, y con carácter indicativo, conviene limitar las flechas horizontales máximas en cabeza de los soportes de apoyo de las vigas carrileras, a h/300, siendo ‘h’ la altura real del soporte. La diferencia entre los desplazamientos horizontales en cabeza de dos soportes de apoyo enfrentados no debe superar los 20 mm.

4.5.1.2.-Límites de deformaciones en puentes El control de deformaciones (flechas y curvaturas) en puentes y pasarelas debe garantizar la adecuada apariencia y funcionalidad de la obra, evitando: Efectos dinámicos amplificados, o no deseados, debidos a impactos del tráfico circulante. • Daños en el revestimiento de la calzada de puentes carreteros, o en el balasto y

sistemas de vía de puentes ferroviarios. • Alteraciones en el correcto funcionamiento del sistema de drenaje. • Impresiones visuales no adecuadas de la geometría final de la estructura. • Sensaciones que afecten al confort de los usuarios. • Alteraciones en las condiciones finales de la rasante (planta, alzado, peraltes)

respecto de las alineaciones de proyecto. • Afecciones al funcionamiento y durabilidad de juntas, apoyos, barandillas,

instalaciones, etc., muy sensibles a quiebros o cambios bruscos de pendiente en la deformada.

El Proyecto deberá definir unas contraflechas teóricas de ejecución tales que, para la totalidad de la carga permanente, la rasante final de la estructura corresponda a la geometría prevista. El Proyecto deberá definir, con total precisión, las distintas fases de montaje y puesta en carga de la estructura para las que se han obtenido las contraflechas de ejecución.

La correcta evaluación y control de las contraflechas de ejecución en puentes metálicos exige una gran precisión, ya que cualquier infra o sobrevaloración de las mismas puede acarrear desvíos superiores a las tolerancias admisibles.


Para ello resulta necesario: a) Evaluar con precisión las magnitudes reales de las cargas de peso propio y cargas

muertas, así como su secuencia de aplicación sobre la estructura. b) Estimar adecuadamente la rigidez de la estructura en cada una de las fases de

montajes evolutivos, c) Considerar en el modelo las rigideces a torsión en cada fase, cuando se trate de

puentes curvos o sometidos a cargas permanentes excéntricas. d) Plantear medidas correctoras, mediante contraflechas o procedimientos adecuados

de soldadura, de las deformaciones producidas por las uniones soldadas. e) Incluir en el Control de Calidad de la ejecución en taller y del montaje en obra, el

seguimiento de la evolución de la deformada de la estructura en las sucesivas etapas de su fabricación y montaje, así como su contraste con las previsiones.

. En ausencia de criterios alternativos fijados por el Proyectista o la Dirección de las Obras, pueden establecerse como valores límite de las tolerancias dimensionales, para las desviaciones en planta y alzado al final del montaje, las siguientes:

Autopistas, autovías,y vías rápidas

Carreteras con circulación rápida

Pasarelas y carreteras con circulación lenta

Puentes isostáticos de un vano

L/2000 ≤10 mm

L/1000 ≤20 mm

L/800 ≤25 mm

Puentes isostáticos de varios vanos

L/4000 ≤5 mm

L/2000 ≤10 mm

L/1600 ≤15 mm

Puentes continuos L/1500

≤15 mm L/900

≤30 mm L/600

≤40 mm En puentes de ferrocarril las tolerancias serán fijadas por la Administración competente, según se trate de vías con balasto o vías en placa. Puentes de carretera La rigidez del tablero será tal que, bajo la actuación de las sobrecargas frecuentes establecidas por la instrucción IAP, la flecha correspondiente a dichas sobrecargas no supere los valores siguientes:

L/1000 en puentes de carretera L/1200 en puentes urbanos con aceras transitables, siendo “L” la luz del vano

En el caso de tableros con losas ortótropas, se comprobará que la deformación de los rigidizadores longitudinales, bajo la acción de las sobrecargas frecuentes, no supera el valor L/500, siendo L la distancia entre rigidizadores transversales. En tableros con voladizos importantes, o con flexibilidad transversal en secciones coincidentes con juntas de dilatación, se controlará que la deformación transversal máxima, bajo la actuación de las sobrecargas frecuentes, no supere los 5 mm, salvo especificaciones técnicas diferentes por parte del proveedor de las juntas.

Podrían admitirse valores ligeramente superiores de la deformación del tablero si se realiza un análisis dinámico preciso que controle la amplificación de las deformaciones estáticas y el nivel de vibraciones bajo el paso de las sobrecargas móviles.


En tableros atirantados, arcos de tablero inferior, o estructuras asimilables, deberá tomarse como “L” la distancia entre puntos de inflexión de la deformada para la hipótesis de sobrecarga considerada.

La propia normativa establece unas limitaciones para las vibraciones causadas por las acciones dinámicas, que se recogen a Instrucción EAE, y que en función de los usos limita la frecuencia de vibración; pero por no tratarse de deformaciones estáticas, no se incluyen en este capítulo.

4.5.2. Estructuras de hormigón armado Cuando se trata de estructuras construidas con de hormigón armado las deformaciones son considerablemente inferiores a las de acero, por la mayor rigidez del hormigón. Igualmente las previsiones de flechas y giros estarán contempladas en cada proyecto y las pruebas de carga se realizaran conforme a estas previsiones.

Las tolerancias serán definidas por el proyectista en función de las características de diseño y del uso para que se destine la estructura, y como prescripciones de carácter general la Instrucción del Hormigón Armado (EHE) y en su art.99 establece las condiciones de aceptación. El resultado del ensayo podrá considerarse satisfactorio cuando se cumplan las condiciones siguientes: - Ninguno de los elementos de la zona de la estructura ensayada presenta fisuras no

previstas y que comprometan la durabilidad o seguridad de la estructura. - La flecha máxima obtenida es inferior de L2 /20000 H siendo “L” la luz de cálculo y

“H” el canto del elemento. En el caso de que el elemento ensayado sea un voladizo, “L” será dos veces la distancia entre el apoyo y el extremo.

- Si la flecha máxima supera L2 / 20000 H, la flecha residual una vez retirada la carga,

y transcurridas 24 horas, deberá ser inferior al 25 % de la máxima en elementos de hormigón armado e inferior al 20 % de la máxima en elementos de hormigón pretensado. Esta condición deberá satisfacerse tras el primer ciclo de carga-descarga.

Si esto no se cumple, se permite realizar un segundo ciclo de carga-descarga después de transcurridas 72 horas de la finalización del primer ciclo. En tal caso, el resultado se considerará satisfactorio si la flecha residual obtenida es inferior al 20 % de la flecha máxima registrada en ese ciclo de carga, para todo tipo de estructuras.

4.5.3.- Valores límites de desplazamientos en túneles Es muy difícil establecer unas tolerancias específicas para las deformaciones que se producen en la ejecución de túneles, y más aún si se pretende generalizar estas limitaciones, pues se trata de diferentes medios materiales perforados y con muchas variables que afectan a su comportamiento. Por otro lado los sistemas constructivos condicionan la interacción del terreno con el sostenimiento. Ante esta dificultad de limitar las deformaciones, la interpretación de las medidas y su aceptación las realiza la Dirección de Obra, ó en quién ésta delegue: Técnico especializado Asistencia Técnica, Asesores, etc.


Es habitual recurrir a una interpretación de resultados auscultados, siguiendo criterios de - Limitaciones de valores - Comparación con otros modelos teóricos - Experiencia previa en casos similares El establecimiento de limitaciones es la forma más sencilla de realizar un seguimiento de las deformaciones, ya que se elimina la subjetividad en la interpretación de valores y a la vista de los resultados se actúa según un procedimiento, salvo ante situaciones imprevistas. Este criterio de limitaciones tiene el gran inconveniente de que el terreno no es homogéneo y que los parámetros geotécnicos condicionan su comportamiento, por lo que se complica la modelización del terreno y del entorno. La limitación de deformaciones solo es aplicable a las zonas con terrenos homogéneos y amplia experiencia en túneles, pudiendo establecer umbrales de seguridad, como es el caso de Madrid, donde se especificaron t valores estimados como limitaciones en los movimientos durante la excavación. - Valores límites de movimientos estimados en Madrid

MEDICIÓN VALOR LIMITE ADMISIBLE Asiento máximo 15 mm Distorsión angular 1/1000 Deformación horizontal 0,001

La comparación con los modelos teóricos, supervisada por un experto es el criterio que aporta mejores resultados, siempre que la asignación de parámetros geotécnicos de deformabilidad y de resistencia en los programas utilizados sean representativos y precisos, por lo que es importante ir actualizando los valores durante el desarrollo de la perforación.

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tema 1: estructuras tipo y su deformación

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