Perspectivas
Frecuentemente se presentan quejas cuando se realizan actividades de construcción en áreas densamente pobladas o cerca de instalaciones sensibles a las vibraciones. En las primeras fases de los proyectos de construcción, a menudo se generan vibraciones en los suelos superficiales. Estas actividades de construcción pueden incluir la remoción de puentes, edificios o superficies duras. Las actividades también pueden incluir excavación de suelos, clavado de pilotes, despeje de terrenos, tráfico de camiones, o compactación con equipo vibratorio.
En las últimas cuatro décadas, se han realizado una gran cantidad de investigaciones y se ha logrado un progreso significativo en el estudio de los terremotos, la minería y la ingeniería marítima. Gracias a estos avances, los ingenieros tienen un mejor entendimiento de la relación entre el estrés y la tensión del suelo cuando se ve afectado por fuerzas estáticas, cíclicas y dinámicas. Adaptados para el análisis de vibraciones, ahora podemos modelar estas fuerzas artificiales como ondas planas a través del suelo o masas rocosas para demolición y actividades de clavado de pilotes. De igual manera, podemos modelar fuerzas artificiales como ondas superficiales para compactación y otros tipos similares de desarrollo y construcción de sitios.
El análisis de vibración basado en la ingeniería estructural, geotécnica y de la construcción puede realizarse para determinar la magnitud del impacto en lugar de los criterios subjetivos de la percepción humana. Este documento describe las bases de un análisis de vibraciones durante la construcción.
En la construcción residencial o comercial, la mayoría de las vibraciones relacionadas con la construcción normalmente ocurre durante las primeras fases de la construcción. Las tres actividades principales que causan la mayoría de, si no todos, los reclamos relacionados con daños por vibraciones son:
El despeje de terrenos incluye la remoción de vegetación, construcciones y pavimento existentes. Este proceso suele realizarse con equipos que inducen vibraciones, como excavadoras, topadoras, cargadoras y camiones grandes. Además, en algunos casos hasta se utilizan explosivos para la demolición de grandes estructuras.
Una vez despejado el terreno, puede utilizarse relleno de suelo en el terreno. El relleno se utiliza para nivelar y elevar el suelo para el desagüe, o si la elevación de la estructura de construcción debe ser mayor a la existente. El relleno usualmente se coloca con un espesor de 6 a 12 pulgadas y debe compactarse para mitigar futuros problemas de asentamiento. Los compactadores, también conocidos como aplanadoras, se utilizan para densificar el suelo en obras grandes. Las aplanadoras son vehículos pesados con un rodillo grande de metal, el cual compacta el suelo a medida que se conduce sobre el relleno. Las aplanadoras a menudo están equipadas con vibradores mecánicos, lo cual mejora su rendimiento de compactación. Las aplanadoras más pequeñas, como la compactadora de placa vibratoria, y la apisonadora se utilizan en obras más pequeñas o para compactar suelos en áreas de acceso limitado, como dentro de una excavación para zapatas. Las compactadoras de placa, como se ve en la Figura 1, tienen un motor y se manejan caminando detrás de ellas; también tienen el beneficio de la vibración para compactar el suelo.
La vibración comúnmente se utiliza en equipos de compactación de suelos porque mejora la eficiencia de los equipos al dirigir la energía hacia el substrato, lo cual reduce la fricción entre las partículas del suelo, haciendo que las partículas se reacomoden y llenen los espacios vacíos; esto aumenta la densidad del suelo y evita un asentamiento excesivo de la construcción. Cuando se utilizan equipos vibratorios, el resultado es una mayor densidad con menos tiempo y esfuerzo e incrementa la profundidad de la penetración de los equipos de compactación. En otras palabras, cuanto más alta sea la energía mecánica que emite una máquina hacia el suelo, más rápida y mejor será la compactación. Si bien el uso de equipos vibratorios tiene ventajas evidentes en la construcción, también puede causar efectos adversos en las construcciones, instalaciones y personas adyacentes. Si no se toman las precauciones necesarias, los métodos de compactación pueden ir en contra de los intereses de los ocupantes de los edificios vecinos.
Para edificaciones más grandes, construidas en suelos deficientes o construidas cerca de zonas de aguas abiertas, usualmente se requiere un sistema de cimentación profundo para poder soportar la edificación. Los pilotes de concreto, acero y madera son los tipos más comunes de cimentaciones profundas, y se insertan en el suelo con un martillo grande o con métodos de vibración. Ambos métodos de instalación generarán vibraciones de gran magnitud, las cuales pueden causar molestias o daños a las propiedades adyacentes.
Un ser humano puede percibir las vibraciones en niveles mucho menores de los que se requieren para hacerle daño a una estructura. Según un estudio sobre la respuesta subjetiva de humanos a las vibraciones, realizada por el Buró de Minas de los Estados Unidos (USBM), las vibraciones se clasificaron como “apenas perceptibles” para los seres humanos en niveles tan bajos como 0.011 in/sec; y se clasificaron como “severas” en niveles tan bajos como 0.301 in/sec. Sin embargo, el mismo estudio del USBM evaluó la respuesta de las estructuras residenciales a las vibraciones y encontró que el nivel mínimo de vibración necesario para causar daños a viviendas viejas construidas con listones y yeso es de 0.50 in/sec y 0.75 in/sec para viviendas más nuevas construidas con placa de yeso.
Las vibraciones se desplazan por el suelo y se transmiten a través de la cimentación hacia las paredes, los pisos y techos. Los primeros indicios de daños causados por vibraciones aparecerán en el interior de los muros de carga verticales, ya que estos muros resisten el balanceo y movimiento lateral causado por las vibraciones. Casi todos los materiales para acabados son rígidos e inflexibles; algunos ejemplos incluyen: cemento estuco, yeso interior, placas de cartón-yeso interiores y azulejos para muros. Los daños en acabados rígidos aparecerían primero como grietas en los puntos más débiles del muro, que generalmente son las esquinas de las ventanas y los marcos de las puertas.
Los componentes de la edificación pueden variar desde flexibles, como la madera y el acero, hasta rígidos, como la mampostería y el concreto. Estos componentes normalmente se cubren con acabados cosméticos y decorativos. Los daños causados por las vibraciones afectarán los componentes flexibles en las conexiones, que son las partes más rígidas de un montaje flexible. En cambio, los daños a los componentes rígidos aparecerán como grietas o diferenciaciones en el asentamiento posterior a la construcción. Los componentes rígidos generalmente se verán afectados por las vibraciones mucho antes que los componentes flexibles.
Las vibraciones durante la construcción son una molestia conocida y pueden ocasionar daños en las estructuras existentes si no se controlan apropiadamente o no se tienen en cuenta. Como medida de prevención para mitigar los reclamos por daños causados por las vibraciones, los edificios cercanos deberían inspeccionarse antes y después de la construcción, además de controlarse durante la construcción.
Por ejemplo, en proyectos de vías en el estado de la Florida, el Departamento de Transporte de la Florida requiere que se realice monitoreo de las vibraciones en las estructuras adyacentes. Según el Capítulo 108-2 de las Especificaciones de Estándares para la Construcción de Vías y Puentes del Departamento de Transporte de la Florida (FDOT), durante la construcción de muros de retención y cimentación para puentes, edificaciones y estructuras; todas las estructuras cercanas dentro de los 200 pies de la instalación o extracción de tablestacas, y dentro de los 100 pies de la instalación o extracción de pilotes soldado, debe inspeccionarse, estudiarse y monitorearse su asentamiento. Además, cuando se realicen operaciones de compactación para calzadas, en todas las estructuras cercanas dentro de 75 pies de las operaciones de vibración por compactación, debe estudiarse y monitorearse el asentamiento.
Un estudio previo a la construcción debe documentar la condición de la estructura y todas las grietas existentes para poder determinar si aparecieron grietas nuevas durante la construcción. Los niveles de vibración se pueden monitorear durante la construcción con un sismógrafo para determinar si exceden el umbral de daño de la edificación. Sin embargo, muchas veces no se realiza un monitoreo de la vibración y los estudios previos y posteriores a la construcción no están disponibles. Por eso, pueden realizarse análisis de vibración para estimar los niveles de vibración que habrían estado presentes en la propiedad y compararlos con el nivel de vibración mínimo requerido para dañar una estructura. De acuerdo con el estatuto 552.30 de la Florida, vibraciones directas en el suelo, generadas por actividades de construcción minera, está limitada a los estándares máximos impuestos por el informe de investigación Nro. 8507 (1980) del USBM. Si bien estas regulaciones se aplican específicamente a la minería, comúnmente se aplican a operaciones de construcción.
Los estándares máximos incluyen:
Como se muestra en la Figura 2, la velocidad máxima de las partículas permitida en actividades de construcción cambia con la frecuencia.
El análisis de vibraciones durante la construcción en una estructura estándar tiene un proceso de dos pasos:
Los daños directos causados por las vibraciones ocurren porque la energía de la vibración se transmite a los cimientos a través del contacto directo con el suelo de soporte. En la construcción, las vibraciones del suelo viajan con frecuencia como ondas superficiales. Este tipo de onda disminuye en magnitud, o se atenúa, a medida que se distancia del origen de las vibraciones. Esta atenuación es el resultado de la pérdida de energía debido a la fricción dentro del material, en este caso las partículas del suelo, por medio de las cuales deben viajar las ondas. Para comparar con el impacto a la edificación, los niveles de vibración generalmente se observan como un número único cuantificando la velocidad máxima de las partículas (PPV) en in/sec o mm/sec.
Para poder determinar el nivel de vibración que podría haber ocurrido en una propiedad, deben identificarse los equipos que inducen la vibración y debe determinarse la distancia entre el origen de la vibración y la edificación. Se han realizado numerosos estudios para determinar la tasa de atenuación del suelo asociada con diferentes equipos de construcción. Además, las especificaciones de los fabricantes para los equipos de construcción a veces incluyen tablas de vibraciones. En la Figura 4 se identifican varios tipos diferentes de maquinaria comúnmente utilizados en obras de construcción y se representan los niveles de vibración anticipados basados en la distancia. Como se muestra en la figura, los niveles de vibración disminuirán a medida que aumente la distancia desde el origen.
El daño indirecto causado por las vibraciones se refiere a un movimiento irregular en los cimientos y/o muros de una estructura, lo cual puede ocurrir si la estructura está mínimamente diseñada o construida sobre arena suelta y seca, además de estar mal compactada por el contratista. Esto se puede analizar usando métodos basados en una amplia investigación realizada por K. Rainer Massarch y otros. Si la deformación por esfuerzo cortante inducida por la vibración excede el 0.01%, sobrepasa el umbral de falla y se considera “en riesgo de asentamiento” en suelos granulados o “pérdida de fuerza” en suelos cohesionados.
La deformación por esfuerzo cortante se determina a partir de la velocidad de onda cortante y la velocidad de la vibración desde el origen. Las ondas cortantes varían en función del volumen de espacio vacío dentro de la matriz del suelo; por lo tanto, para los cálculos, se utiliza un rango de presiones del suelo y relación de vacíos (imagen 5). Para suponer el perfil del suelo y las profundidades de saturación de agua subterránea, se puede calcular la presión vertical efectiva del suelo en kilonewtons por metro cuadrado. La velocidad de onda cortante se puede determinar a partir de la Figura 5 con la tensión efectiva y la relación de vacíos. Los valores de velocidad de onda cortante se representan en función de la velocidad máxima de las partículas, como se determina en la Figura 4.
En la Figura 6, se representan las velocidades de onda cortante resultantes a la velocidad máxima de las partículas, ya sea medida o asumida, recopiladas por el sismógrafo y estimadas a partir de los gráficos proporcionados el fabricante de los equipos o extraídos de los gráficos generalizados de los equipos de construcción similares a los que se muestran en la Figura 4.
Estos puntos se comparan con el umbral de falla. Si exceden el umbral de falla, entonces el asentamiento inducido podría ser una posible fuente de cualquier tensión reciente relacionada con asentamiento observada por el ingeniero durante la inspección de la estructura. Para determinar el radio máximo de asentamiento inducido para los equipos y las condiciones del suelo asumidos, la velocidad de la vibración del umbral de deformación por esfuerzo cortante se representa en el gráfico de velocidad de partículas en función de la distancia (Figura 4).
Las construcciones generalmente ocurren cerca o adyacentes a otras estructuras existentes. Los reclamos y las quejas suelen ocurrir debido a daños reales o percibidos causados por la vibración en obras de construcción. En la ausencia de datos reales de velocidad máxima de las partículas y frecuencia registrada, los ingenieros deben realizar un análisis matemático sobre las vibraciones durante la construcción para proporcionar a las partes interesadas un radio lateral de posibles daños por causados por la construcción. Los métodos utilizados para este análisis se basan y adaptan a partir de décadas de investigación en los campos de la ingeniería de terremotos y minería, así como estudios específicos de los diferentes tipos de equipos de construcción. Los datos de entrada del análisis incluye las siguientes condiciones de la obra de construcción, que se adquieren fácilmente: textura del suelo, densidad relativa del suelo, tabla de profundidad de aguas subterráneas, distancia lateral desde el origen de la vibración, geometría de los cimientos y tipo de maquinaria de donde proviene la vibración.
Cuando se realiza un análisis de las vibraciones durante la construcción, se consideran el impacto directo causado por las ondas superficiales, así como el impacto indirecto causado por el asentamiento diferencial inducido de los suelos de soporte y la tensión causada por asentamiento de los cimientos y muros de carga.
Le agradecemos a W. Sharkey Bowers, PE, Andrew F. Lovenstein , PE, SI, y Adam A. Yala, PhD, PE, por aportar su conocimiento y experiencia, que fueron de gran ayuda en esta investigación.
W. Sharkey Bowers es ingeniero sénior en la práctica de Arquitectura Forense de J.S. Held. Brinda su opinión profesional en ingeniería sobre la causa, el origen y la duración del daño a las propiedades, y dirige al personal de campo para pruebas geotécnicas y de materiales para evaluar las condiciones subsuperficiales de futuros lugares de desarrollo para brindar recomendaciones sobre la preparación del sitio, la recuperación del suelo y los cimientos. También proporcionó servicios de monitoreo de vibraciones para proyectos de construcción en curso para evitar daños a las estructuras cercanas; evaluó estructuras por posibles daños por vibraciones de construcción y/o minería cercanas; evaluó estructuras y propiedades para detectar la presencia de actividad de sumideros y daños estructurales según lo definido en los estatutos de Florida §627; y desarrolló planes y especificaciones detallados de diseño de muros de contención segmentarios como ingeniero de registro para cientos de proyectos de muros de contención en todo el estado de Florida.
Comuníquese con Sharkey [email protected] o llamando al +1 813 460 4648.
Andrew F. Lovenstein es ingeniero sénior en la práctica de Arquitectura Forense de J.S. Held. Los edificios que ha evaluado varían entre grandes estructuras y cobertizos, y han sido de ocupación comercial, de negocios, residencial, de materiales peligrosos, de almacenamiento e institucional. Los tipos de evaluaciones incluyen tanto pruebas destructivas como métodos de pruebas no destructivas. Andrew tiene un amplio conocimiento de los sistemas y materiales de construcción actuales y anteriores. Ha realizado evaluaciones de edificios después de huracanes, inundaciones, incendios, impactos de vehículos, moho, intrusiones ocultas de humedad y actividad de sumidero. Andrew también ha realizado evaluaciones en edificios no dañados como parte de transacciones inmobiliarias, cambio de ocupación o uso y ha realizado varios estudios de viabilidad para ampliaciones a edificios existentes.
Comuníquese con Andrew [email protected] o llamando al +1 786 244 2753.
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