En este artículo se presentan algunos casos de aplicaciones de la tecnología de fibra óptica distribuida realizada por los equipos de los autores para varios proyectos geotécnicos y de ingeniería de cimentaciones en Malasia y otros países. Se realizaron más de 150 pruebas de carga en pilas usando tecnología de sensores de fibra óptica distribuidos, incluyendo desde pilas coladas in situ hasta pilas precoladas hincadas, con diversos esquemas de carga, tales como: carga sostenida, cargas bidireccionales y carga lateral. Para aplicaciones en ingeniería de taludes, también han sido reportadas pruebas de extracción de anclas en suelos claveteados e inclinómetro de fibra óptica. Los autores tienen el propósito de compartir en este artículo los retos enfrentados en la práctica comercial al realizar el monitoreo con esta tecnología en ingeniería geotécnica.
La utilización de la fibra óptica (FO) en el ámbito de la ingeniería civil aún es nuevo comparado con sus aplicaciones en telecomunicaciones y en la industria de la medicina (Annamdas, 2011). Para el propósito de mediciones en estructuras hay tres enfoques principales para sensores FO, por ejemplo: los interferómetros FabryPerot para sensores en puntos discretos (Dai et al., 2007), los sensores Fibre Bragg con un sistema de sensores cuasidistribuido (Lee et al., 2019), y sensores de fibra óptica distribuidos (DOFS, sus siglas en inglés).
Las aplicaciones de DOFS en cimentaciones de pilas, concretamente los análisis ópticos Brillouin en el dominio del tiempo (BOTDA, sus siglas en inglés) o reflectometría Brillouin en el dominio óptico (BOTDR, sus siglas en inglés), han sido reportadas por numerosos investigadores en los años pasados (p. ej. Ohno et al., 2002; Klar et al., 2006). Esta tecnología ha demostrado tener capacidades de medición superiores, comparada con la instrumentación geotécnica convencional. Esto incluye: a) procedimiento de instalación sencillo (Mohamad et al., 2009); b) mediciones simultáneas de deformación y temperatura (Mohamad et al., 2014);
c) monitoreo simultáneo de deformaciones axiales y de flexión (Mohamad et al., 2011); d) detección de agrietamientos o deformaciones en pilas excavadas (Mohamad et al., 2016); y e) la capacidad para medir perfiles continuos de deformaciones, comparado con datos discretos tales como los obtenidos con deformímetros de cuerda vibrante (VWSG, sus siglas en inglés).
La medición completa del estado de deformaciones de la cimentación de una estructura es importante, dado que permite una interpretación más precisa de la interacción suelo-estructura, como las fricciones unitarias de las pilas, y por tanto la correcta determinación de la capacidad de cada pila (Soga et al., 2008). Un perfil continuo del acortamiento elástico de una pila puede ser obtenido del estado de deformaciones medido. Con el perfil de acortamiento elástico puede ser calculado el movimiento/asentamiento real de cada punto a lo largo de la longitud de la pila. El análisis de esta información proporciona a los ingenieros una mejor comprensión de la fricción movilizada por el fuste de la pila y la capacidad de carga final de una cimentación con pilas.
En este artículo se presentan algunos casos de aplicaciones de la tecnología de fibra óptica distribuida realizada por los equipos de los autores para varios proyectos geotécnicos y de ingeniería de cimentaciones en Malasia y otros países. Se realizaron más de 150 pruebas de carga en pilas usando tecnología DOFS, incluyendo desde pilas coladas in situ (Mohamad et al., 2016) hasta pilas precoladas hincadas (Tee et al., 2029), con diversos esquemas de carga, tales como: carga sostenida (Mohamad et al., 2017), cargas bidireccionales (Lee, et al., 2021) y carga lateral (Mohamad et al., 2019). Para aplicaciones en ingeniería de taludes, también han sido reportadas pruebas de extracción de anclas en suelos claveteados (Lee et al., 2020) e inclinómetro de fibra óptica (Ghazali et al., 2020). Los autores tienen el propósito de compartir en este artículo los retos enfrentados en la práctica comercial al realizar el monitoreo con la tecnología DOFS en ingeniería geotécnica.
Sensor de fibra óptica distribuida (DOFS)
Las funciones del DOFS se basan en las propiedades del espectro de la luz dispersa recuperada de la fibra óptica, utilizando el sistema de BOTDA. El principio del sistema sensor BOTDA se muestra en la figura 1 y el analizador en la figura 2. Cuando las ondas de luz viajan en el cable de fibra óptica, reaccionan con el material de cristal en la fibra; esta reacción causa un cambio en la frecuencia, esto es, la frecuencia Brillouin cambia. Resolviendo el cambio de frecuencia y el tiempo de propagación, se puede determinar un perfil continuo de deformaciones (típicamente, hasta 50 km de longitud). Dependiendo de como se configure el sensor, se puede obtener una precisión de la deformación (2σ) de ±2με con lecturas espaciadas cada 5 cm (Oz Optics, 2018). Tal capacidad de medición es adecuada para el monitoreo de la mayoría de las aplicaciones de integridad estructural. Una ventaja particular de los sensores de fibra óptica, en oposición a los sensores eléctricos, es la naturaleza del cristal, que es inmune a interferencias electromagnéticas, resistente a la corrosión e inerte a la mayoría de las reacciones químicas.
La principal limitación actual del sistema DOFS es que no es adecuado para mediciones dinámicas, ya que requiere varios minutos para completar una lectura. Otros inconvenientes son que el costo de la unidad de lectura disponible comercialmente es alto, comparado con unidades de lectura para otro tipo de sensores, además de que es voluminoso y requiere una fuente de energía externa (generalmente se utiliza un generador portátil durante las mediciones de campo) y no está diseñado para uso rudo, como el de un sitio de construcción.
En la figura 3a se muestra un cable de FO especialmente diseñado y manufacturado para su utilización como medidor de deformación continua en pilas de concreto coladas in situ, o pilotes de concreto reforzado. El núcleo de la fibra óptica está recubierto con una capa amortiguadora (buffer) y reforzado con seis cables de alambre de acero presforzado y trenzado, así como de una funda que los agrupa. Todos los componentes del cable sensor se fijan juntos de manera ajustada y por eso se denomina cable sensor de deformaciones ajustado (tigh buffered strain sensing cable). La característica de ser ajustado permite que la deformación se transmita totalmente a la fibra óptica del centro y proporcione alta sensibilidad y mediciones precisas.
En la figura 3b se muestra la configuración de un cable de fibra óptica de 2.0 mm × 3.1 mm específicamente diseñado para ser fijado en la tubería guía de un inclinómetro. Consiste en un cable de fibra óptica individual de doble núcleo, modo sencillo, con refuerzo de alambre de acero o de plástico reforzado con fibra de vidrio (FRP) en ambos lados y funda de polietileno.
Algunos proyectos instrumentados con DOFS
Desde 2015, los autores han sido pioneros en proporcionar servicios y desarrollo de instrumentación con fibra óptica para varios proyectos de infraestructura en Malasia y otros países, iniciando con varios casos de pruebas de carga en pilas en los que los resultados de las deformaciones tenían buen ajuste con los obtenidos con sensores convencionales (Mohamad y Tee, 2015; Mohamad et al., 2016). Sin embargo, los autores tuvieron que superar fuertes retos para comercializar la tecnología de FO para pruebas geotécnicas y otros proyectos de medición para integridad estructural. Entre los retos se destacan: costos competitivos, conocimientos de la nueva tecnología, retroalimentación del fabricante del equipo (el analizador BOTDA y el diseño de cables), adecuada pericia para la operación del equipo, sólida formación geotécnica para la interpretación de resultados, apoyos tanto de los clientes como de las autoridades (incluyendo normas y especificaciones), y un esfuerzo continuo de investigación y desarrollo para mejorar la calidad de los servicios.
En la tabla 1 se muestra el número de proyectos instrumentados con sensores de FO en Malasia y otros países. Fueron realizados con éxito cientos de casos de pruebas de carga en pilas (pilas en perforaciones, pilas precoladas, micropilotes, pruebas bidireccionales y pruebas laterales). Para proyectos de monitoreo de integridad estructural a largo plazo, los sensores FO han sido utilizados para aplicaciones tales como:
Monitoreo del movimiento dinámico de puentes, seguridad estructural e integridad, pérdidas de postensión, desarrollo de agrietamientos y comportamiento a largo plazo.
Monitoreo del comportamiento de una plataforma soportada en pilas durante la etapa constructiva e integridad estructural a largo plazo: expansiones tardías ocasionadas por la formación de etringita (mineral sulfoaluminato de calcio en base acuosa), y por reacción álcali agregado en el concreto.
Monitoreo de los movimientos del recubrimiento precolado de un túnel y su integridad, debido a una excavación cercana para un sótano, y comportamiento del recubrimiento de un túnel durante trabajos de rehabilitación y a largo plazo.
Para las aplicaciones geotécnicas, los sensores de fibra óptica han sido utilizados para monitorear el comportamiento de suelos claveteados, la zona de influencia de la carga de una pista de aeropuerto (dinámica) y los asentamientos a largo plazo del terreno (subsidencia). Adicionalmente, han sido utilizados para monitorear una estructura de protección elevada de un gasoducto durante el apuntalamiento para su cimentación. Algunos de los casos mencionados se presentan de manera resumida en este artículo con la intención de destacar la singularidad del proyecto, las diferencias en las técnicas de instalación de los sensores y los resultados de las mediciones.
Pruebas de carga en pilas empotradas en roca
Una pila de 80 cm de diámetro y 13.2 m de longitud fue instrumentada con sensores FO y también con deformímetros de cuerda vibrante (VWSG), como se muestra en la figura 4.
La pila fue diseñada para trabajar a fricción en un empotramiento de 6 m dentro de una formación caliza, pero sin resistencia en la base. En la perforación, la parte superior de arena limosa fue desligada del fuste mediante la instalación de ademes dobles de acero. Los sensores FO fueron fijados a lo largo del refuerzo principal desde la base hasta la punta, por los cuatro lados. Los datos de los sensores FO fueron analizados después de completar la prueba de carga estática para permitir la interpretación de la fricción del fuste, el cálculo del acortamiento elástico y la comparación con los resultados de los deformímetros de cuerda vibrante y del extensómetro de barra testigo de fondo.
Como se aprecia en la figura 5, los valores de deformación obtenidos con los sensores FO y los VWSG muestran excelente concordancia entre ellos para diferentes ciclos de carga y descarga. Como se observa en la parte a, no se detecta fricción del fuste en los primeros 7 m de la pila (deformación constante), debido a que está desligada del terreno por la presencia del ademe doble de acero; la fricción del fuste se desarrolla en la capa de caliza con muy poca transferencia de carga a la base. En la parte b de la figura 5 se muestra el perfil de deformaciones con algo de deformación residual después de completar el segundo ciclo (0% de la carga). Se concluyó que el diseño de la pila para este proyecto era seguro, dado que la fricción unitaria última del fuste desarrollada en la capa de caliza era mayor que el valor previsto, y sin transferencia de carga a la base.
Contrariamente a las pilas en perforaciones, las pruebas estáticas de carga en pilas de concreto reforzado (RC) se realizan frecuentemente sin instrumentación como deformímetros o extensómetros. La instalación de VWSG en pilas RC no es práctica, debido al alto costo y bajo porcentaje de supervivencia de los sensores durante los procesos de fabricación e instalación de las pilas. Por ello la fricción del fuste y la capacidad de punta no pueden ser medidas directamente durante una prueba de carga estática.
La respuesta y capacidad de las pilas RC son determinadas por el ingeniero únicamente con base en el análisis de las curvas de asentamiento, sin considerar los mecanismos de transferencia de carga y el acortamiento de la pila. Dependiendo de los requerimientos del edificio o reglamentos de construcción, el criterio de asentamiento de una pila varía desde 25 mm, 38 mm o 10% del diámetro de la pila para determinar su capacidad última. Con la experiencia y comprensión del comportamiento de las pilas, muchos ingenieros se han dado cuenta de que el requerimiento de carga-asentamiento no puede ser el único criterio para estimar la respuesta de una pila, especialmente para el caso de pilas largas donde el acortamiento es importante.
En este proyecto, dos pilas RC cuadradas de 40 × 40 cm, una de 35 m y otra de 42 m de longitud, fueron instrumentadas con DOFS (Tee et al., 2019). Las pilas fueron hincadas en arcillas marinas muy suaves a la profundidad de diseño. En el centro de cada pila el fabricante instaló antes del colado un tubo de acero dulce de 50 mm de diámetro, que se utilizó para instalar los cables FO después del proceso de hincado. Los cables se introdujeron en el tubo sujetándolos a una barra guía de acero de 10 mm de diámetro con centradores, como se muestra en la figura 6. Después, el tubo se rellenó completamente con una lechada formulada para no tener contracción de fraguado. La colocación de los cables FO en la pila fue relativamente sencillo, rápido y seguro, y alcanzó una elevada tasa de supervivencia de los sensores (proceso mostrado en la figura 7).
En la figura 8a se muestra un ejemplo del perfil continuo de deformaciones de la pila RC de 42 m durante la primera etapa del ciclo de carga. Se observa el registro de tres picos que coinciden con la posición de las juntas de la pila, donde se presenta un incremento localizado de deformación. Era de esperar que las juntas de las pilas tuvieran mayor deformación en comparación con el cuerpo de la pila (estructura), debido imperfecciones constructivas y aire atrapado en la junta. Ninguna otra anomalía fue registrada a lo largo de la pila durante la prueba de carga.
La deformación axial puede integrarse numéricamente para obtener la compresión axial de la pila, como se muestra en la figura 8b. Con base en estándares locales (Jabatan Kerja Raya, 2017), la pila debe cumplir los siguientes criterios: i) el asentamiento total no debe exceder los 12.5 mm con el 100% de la carga de trabajo (WL); ii) el asentamiento no debe exceder los 38 mm o 10% del diámetro de la pila (el que resulte menor) con el 200% de la carga de trabajo; y iii) el asentamiento residual no debe exceder los 6.35 mm. En el caso de este proyecto, el asentamiento elástico calculado fue de 19.25 mm para el 100% WL y de 40.7 mm para el 200% WL, ambos excediendo el criterio especificado. Sin embargo, la curva carga-desplazamiento (no mostrada en este artículo) se encontró dentro de la región elástica (tendencia lineal) aun después del quinto ciclo, y la pila rebotó bien después de cada etapa de descarga. Esta información permitió la correcta interpretación del comportamiento de la pila, y se determinó que el diseño era seguro a pesar de los grandes desplazamientos en la cabeza de esta. Sin la deformación continua proporcionada por los sensores FO no hubiera sido posible verificar que gran parte del asentamiento era debido al acortamiento elástico. Se puede encontrar mayor discusión sobre este caso en Tee et al. (2019).
Pila de concreto armado presforzado de gran tamaño
En esta sección se describe una prueba de flexión a escala completa de una pila de concreto armado presforzado de sección hueca (PC) de 1 m de diámetro y 30 m de largo, instrumentada con DOFS. Los cables de fibra óptica se embebieron en el concreto durante la etapa de fabricación y también se fijaron en la superficie del concreto, con el fin de medir el comportamiento en flexión de la pila en toda su longitud bajo los estados límite último y de servicio prescritos.
Los cables FO fueron colocados de modo que quedaran flojos, con el fin de que la aplicación de la fuerza de pretensado previa al colado no se transmitiera a los cables de fibra óptica. En la figura 9 se muestran los cables sensores antes y después de que el curado del concreto se completó. Una vez completado el proceso de curado y que la superficie externa de la pila estuvo seca, cuatro cables de FO externos (diseño de cable diferente) se fijaron en la superficie de la pila con resina epóxica, con la misma alineación que los cables embebidos en el colado, para medir la deformación en la superficie (véase figura 10).
La fijación de los cables en la superficie no se realizó hasta que la pila había sido levantada y asegurada en el marco de carga de la prueba. Dado que el espécimen a ensayar era muy largo, las pruebas de flexión se realizaron al aire libre (afuera del patio de fabricación). Una vez que se concluyó el proceso de pegado de los cables, se dejó un lapso de dos días para que la resina epóxica estuviera completamente curada, antes de continuar con el programa de pruebas de carga. Finalmente, los cables fueron empalmados mediante fusión con el fin de formar un bucle completo de circuito óptico para conectarlo al analizador BOTDA.
Las relaciones entre momentos-deflexiones y momentos flexionantes-curvaturas fueron estudiados con respecto a las fuerzas laterales. La pila mostraba más esfuerzos de tensión en flexión ubicando el plano neutral (cero deformación) en la parte superior, arriba del eje central. La teoría clásica de trabes no es aplicable para describir el comportamiento de las deformaciones por flexión de la pila PC. Se midieron agrietamientos de tensión y se compararon con los picos de deformación observados con el BOTDA, y los datos se corroboraron muy bien. En la figura 11 se presenta una muestra de las deformaciones de compresión y de tensión de la pila registradas con los sensores de fibra óptica para la carga última de 345 kN (deformaciones de tensión con signo positivo). Los sensores de superficie (etiquetados como EXT) muestran picos de deformación irregulares o máximos cerca de los puntos de carga, lo que se atribuye al desarrollo de grietas de tensión en la cara de abajo de la pila. Considerando la posición de las fibras FO, parecería que las fibras internas miden deformaciones que son compatibles con las deformaciones de los alambres pretensados, mientras que los sensores superficiales son compatibles con el concreto. Más aún, las deformaciones irregulares podrían haber tenido contribuciones por el efecto de la rigidez por tensión generada por la adherencia entre el concreto y el acero de refuerzo en el espacio entre grietas. Los datos de la respuesta momentos-curvatura también fueron analizados, y se encontró que el comportamiento de la pila puede ser representado por dos parámetros de rigidez por flexión, llamados de prefluencia (EI) y de posfluencia (EIcr), donde las grietas reducen la rigidez en un 89%.
Los resultados experimentales fueron de utilidad para los diseñadores de la pila, para determinar la capacidad de servicio y las cargas últimas que pueden imponerse a la estructura. Se espera que en el futuro más productos prefabricados, tales como esta pila, sean instrumentados con sensores de fibras ópticas y el análisis de los datos obtenidos pueda ser utilizado como parte del esquema avanzado de monitoreo de integridad estructural.
Para la detección de deslizamientos y movimientos horizontales, en instrumentación geotécnica se utiliza típicamente un inclinómetro, compuesto por un conjunto de tuberías guía, sonda y unidad de medición, lo que permite obtener un perfil de la deformación del suelo a lo largo de un eje vertical. Cualquier cambio en la deflexión de la tubería guía se registra como movimientos equivalentes en el terreno. La tubería tiene cuatro canales longitudinales espaciados a 90° para guiar la sonda. De manera similar al principio de medición de un sistema inclinométrico transversal con dos ejes perpendiculares, se desarrolló un inclinómetro DOFS (Ghazali et al., 2020) mediante la fijación de cables de fibra óptica en el exterior de la tubería guía, siguiendo el desarrollo de las ranuras internas en los cuatro lados (figura 12). Integrando la distribución de deformación de flexión de dos FO opuestas, se puede obtener un perfil completo de la deflexión de la tubería. El proceso de instalación de un inclinómetro DOFS, cercano a un muro diafragma de una excavación apuntalada de 20 m de profundidad, también se muestra en la figura 12. La lectura base de deformaciones fue realizada aproximadamente un mes después de que fraguó el relleno del espacio anular del barreno, realizado con lechada de bentonita. En la figura 13 se presentan los resultados comparados de las mediciones hechas con el inclinómetro DOFS y con el sondeo inclinométrico estándar para dos fechas diferentes. Los resultados de ambos muestran buena concordancia. La deflexión de la tubería indica que el terreno se desplazó 2 mm hacia la excavación a profundidades de entre 5 y 8 m, pero en la superficie el terreno se desplazó 5 mm en sentido contrario, probablemente debido al elevado presfuerzo de los puntales actuando hacia el muro. Cuando se comparan los dos métodos de medición, el DOFS tiene varias ventajas: proporciona más puntos con datos, puede ser monitoreado de manera remota y el tubo guía también puede ser utilizado como piezómetro abierto.
Conclusiones
Las aplicaciones de la tecnología de DOFS en ingeniería geotécnica han sido demostradas por los autores a través de varios proyectos. Se han obtenido conocimientos valiosos y experiencia a través de un esfuerzo continuo de investigación y desarrollo, tanto en laboratorio como en pruebas de campo. Una de las claves para un esquema exitoso de instrumentación incorporando sensores de fibra óptica es establecer las mejores técnicas de instalación que sigan el método de construcción. Se ha demostrado que los cables de FO pueden ser embebidos en el concreto antes del colado, o alternativamente a través de un tubo, que se rellena posteriormente con lechada sin contracción, después de la instalación de la pila, o acoplados superficialmente para otros elementos estructurales. También son importantes factores tales como el diseño del cable de FO, la supervisión y administración del sitio de la obra, las habilidades de instrumentación y el correcto procesamiento e interpretación de los datos obtenidos. Actualmente, el costo de la unidad de lectura BOTDA es relativamente alto comparado con otras unidades de lectura de sensores eléctricos, lo que podría limitar la comercialización de la tecnología. Sin embargo, con el desarrollo y mejora de la tecnología DOFS es de esperar que más proyectos geotécnicos y de ingeniería civil la incorporen en el futuro cercano.
Referencias
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Esta es una traducción del artículo Advances of distributed optical fibre technology in geotechnical and foundation engineering projects in Malaysia and beyond de H. Mohamad, K. Aang, B. P. Tee, S. C. Lee y M. F. Chong publicado en Proceedings of the 20th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Sydney, 2021.
Traducción de José Francisco González Valencia
