Etiqueta: impacto

Principios, métodos y control de la compactación dinámica del terreno

Compactación dinámica. https://civildigital.com/ground-improvement-techniques-complete-list-of-methods-classifications/

La compactación dinámica es una técnica geotécnica de mejora profunda de suelos, diseñada para densificar capas de terreno de baja capacidad portante mediante la transferencia repetida de energía mecánica de alta intensidad en la superficie.

Este procedimiento es fundamental en la ingeniería de cimentaciones y obras públicas, ya que permite transformar depósitos flojos, rellenos antrópicos heterogéneos o vertederos en soportes geotécnicos aptos para cimentar estructuras e infraestructuras, reduciendo drásticamente los asientos totales y diferenciales futuros.

A continuación, sintetizaremos la información relevante sobre esta tecnología, basándonos en el artículo de Armijo y Blanco (2017).

Definición fundamental: La compactación dinámica es el proceso de densificación del terreno provocado por la aplicación repetida, en puntos convenientemente espaciados de la superficie, de impactos de alta energía liberados por masas de gran tonelaje en caída libre.

En la práctica de la ingeniería geotécnica moderna existen dos variantes operativas principales para la transmisión de energía al subsuelo: la compactación dinámica clásica (CDC) y la compactación dinámica rápida (CDR). La diferencia sustancial entre ambas radica en la cinética del sistema de elevación de la masa y en el mecanismo de transferencia de momento de impacto al terreno.

Parámetro comparativo Compactación dinámica clásica (CDC) Compactación dinámica rápida (CDR)
Mecanismo de elevación Pesa de gran tonelaje (10–30 t) izada por grúa de gran capacidad y liberada en caída libre mediante desacople o embrague. Pesa de tonelaje moderado (7–12 t) acelerada mediante un cilindro hidráulico de doble efecto montado sobre una excavadora.
Modo de contacto e impacto Impacto directo y libre de la maza sobre la superficie del terreno, generando una huella profunda instantánea. La maza impacta sobre una zapata de hinca articulada que permanece en contacto continuo con el terreno, lo que minimiza el vuelo de las proyecciones.

La ejecución tradicional de la CDC mediante control manual por parte del maquinista presentaba severas limitaciones en el rendimiento operativo y en la seguridad estructural del equipo. La integración del kit de compactación dinámica —un sistema avanzado adaptado a las grúas de gran tonelaje— permite programar con precisión la altura de caída (H) y el número de golpes por impronta e incorpora un sensor de desaceleración para el frenado automático.

  • Problemas del método manual tradicional:
    • Pérdida de seguridad por «cabeceo»: Producida por la inestabilidad dinámico-estructural de la pluma de la grúa cuando el operador frenaba manualmente la masa justo antes del impacto o inmediatamente después de este.
    • Pérdida de rendimiento por desensamblado del cable: ocasionada por el desenrollado incontrolado del cable de sujeción en el tambor del cabrestante, cuando la maza tocaba el terreno y se detenía bruscamente, lo que provocaba cruces y desgastes prematuros.
  • Ventajas del kit de compactación automatizado:
    • Frenado automático instantáneo: El sistema detecta el microsegundo de contacto con el pesa-terreno y activa el retrotensado automático del cable, manteniendo la pluma estable.
    • Aumento drástico de la producción: Al eliminar los tiempos muertos asociados a la corrección del cableado y maximizar la velocidad de ciclo, se duplica la producción de la obra en comparación con los métodos manuales.

Comprender los mecanismos operacionales de estas tecnologías es el primer paso; el siguiente consiste en determinar los parámetros numéricos de diseño para adaptar el tratamiento a la tipología del suelo y a la profundidad requerida.

Parámetros de diseño y criterios de aplicabilidad

La aplicabilidad técnica de la compactación dinámica depende de la granulometría y de la permeabilidad (k) del terreno, parámetros que rigen la velocidad de disipación de la presión intersticial generada por el impacto. Siguiendo el criterio de Lukas (1995), los suelos se clasifican en tres zonas geotécnicas:

  1. Suelos adecuados (zona 1): depósitos granulares limpios y permeables (gravas y arenas con un contenido de finos < 15 %). La disipación del exceso de presión de poro es casi instantánea, lo que permite una densificación inmediata.
  2. Suelos intermedios (zona 2): suelos granulares con finos o limos de plasticidad baja a media (IP < 10 %). Requieren la aplicación del tratamiento en fases espaciadas para permitir la disipación de la presión intersticial.
  3. Suelos no adecuados (zona 3): suelos finos cohesivos (arcillas y limos plásticos) altamente saturados. El impacto genera un incremento duradero de la presión neutra, sin una reducción inmediata del índice de huecos, lo que puede inducir el moldeo o la plastificación del suelo.

Esta técnica está especialmente indicada para terrenos colapsables, escombreras, vertederos y rellenos antrópicos heterogéneos (zonas 1 y 2 de Lukas), donde la energía de impacto destruye la estructura colapsable y cierra grandes oquedades.

Aplicación de la CD según el tipo de suelo: 1 – adecuados, 3 – no adecuados, 2 – intermedios (Lukas, 1995).

Determinación de la profundidad máxima de influencia (D)

La profundidad teórica del estrato mejorado (D) se calcula mediante la relación empírica propuesta por Mayne et al. (1984):

D = n √(W · H)

Donde:

  • D: Profundidad de influencia efectiva de la compactación (m).
  • W: Peso de la maza o masa en caída libre (t).
  • H: Altura neta de caída libre (m).
  • n: Coeficiente empírico de eficiencia geotécnica según el tipo de suelo:
    • n ≈ 0,60 para suelos granulares limpios (gravas y arenas limpias).
    • n ≈ 0,35 para suelos finos limosos o arenas limosas con IP ≈ 10%.

En la práctica geotécnica estándar, con grúas de gran tonelaje (H ≤ 30 m, W ≤ 20 t), el rango de profundidad de influencia máxima alcanzable (D) suele situarse entre 7 y 12 metros.

Grado de mejora y energía específica (Ee)

Mientras que la profundidad de influencia (D) es función directa de la energía del impacto individual (W · H), la magnitud del incremento de la resistencia mecánica en el terreno viene determinada por la energía específica (Ee) acumulada por unidad de superficie:

Ee = (Ngolpes · W · H) / A

Donde Ngolpes es el número total de impactos aplicados en un punto y A es el área de influencia asociada a dicho punto según la malla de tratamiento.

Una vez dimensionado teóricamente el tratamiento en función del tipo de suelo y de la energía requerida, es indispensable realizar el control y la verificación de los resultados directos en la obra real.

Métodos de verificación y control de resultados: análisis comparativo

Métodos directos: ensayos de penetración (SPT y DPSH) y sus limitaciones

Los ensayos dinámicos de penetración constituyen la herramienta tradicional para el reconocimiento in situ. Sin embargo, su interpretación tras un proceso de compactación dinámica exige un control geotécnico riguroso.

  • Estrategia operacional: Ejecución de sondeos mecánicos con ensayos de penetración estándar (SPT) a intervalos métricos y con penetrómetros dinámicos continuos superpesados (DPSH).
  • Mecanismo geotécnico de distorsión (principio de Terzaghi): De acuerdo con la ecuación de esfuerzo efectivo de Terzaghi:

σ′ = σ – u

Donde σ′ es la tensión efectiva, σ la tensión total y u la presión neutra o intersticial. Durante los impactos de la compactación dinámica en zonas saturadas (en el caso real analizado, se detectó un nivel freático colgado que saturaba entre 0,6 y 1,0 m del estrato de relleno), los golpes generan un incremento transitorio de la presión de poro (Δu). Al ejecutar un ensayo dinámico de inmediato tras las obras, la hinca vibratoria provoca un fenómeno de licuación dinámica transitoria, elevando Δu hasta igualar la tensión total (σ ≈ u). Como consecuencia, la tensión efectiva se anula (σ′ ≈ 0), registrándose un número de golpes de penetración artificialmente bajo que no refleja la rigidez real de la matriz sólida del suelo.

  • Fenómeno de consolidación temporal y tixotropía: La mejora real de la capacidad portante bajo el nivel freático no es instantánea; se produce progresivamente a medida que los poros disipan la sobrepresión neutra (Δu → 0), lo que incrementa el esfuerzo efectivo (σ‘). Las comprobaciones posteriores demuestran una ganancia de resistencia diferida en el tiempo de hasta un 30 % debido a la consolidación geotécnica.
  • Comparativa SPT vs. DPSH: El ensayo DPSH es sustancialmente más vulnerable a esta distorsión que el SPT. La hinca continua de las varillas del DPSH transmite una frecuencia de vibración constante al terreno que impide la disipación del agua, manteniendo el suelo en un estado plastificado continuo durante la prueba.

Métodos indirectos: reconocimiento geofísico (método CSW)

El ensayo de ondas superficiales continuas (CSW) es una técnica geofísica no destructiva que mide la dispersión de las ondas Rayleigh para determinar el perfil de velocidad de onda de corte (Vs).

  • Fundamento físico: El módulo de elasticidad dinámico en el rango de pequeñas deformaciones o módulo de Young (E) es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad de las ondas de corte:

G0 = ρ · Vs2 ⇒ E ∝ Vs2

Donde ρ representa la densidad aparente del terreno y G0 el módulo de cizallamiento dinámico inicial.

Método semi-directo: control topográfico de huella y cálculo edométrico

Este método deduce las propiedades elásticas globales del terreno mediante la modelización del volumen del cráter de impacto (huella) y la interpretación de la deformación volumétrica.

Síntesis y comparativa de métodos de control

Método de control Tipo de ensayo Ventajas / limitaciones geotécnicas
Directo Sondeos geotécnicos con SPT Ventaja: medición puntual estándar y directa en geotecnia.

Limitación: lenta y costosa; se ve alterada a la baja por la subida de la presión de poro en las capas saturadas.
Indirecto Geofísica sísmica de superficie (CSW) Ventaja: ensayo no destructivo, abarca grandes volúmenes de terreno.

Limitación: requiere procesar datos en gabinete e hipótesis de densidad.
Semi-directo Control topográfico de huella Ventaja: continuo, económico, no interrumpe la obra y mide la deformación real.

Limitación: requiere asimilar la hipótesis de e0 y el coeficiente de Poisson ν.

Conclusiones e innovaciones futuras

La compactación dinámica requiere integrar el control de la ejecución con la evaluación de la respuesta geotécnica. La automatización mejora la seguridad y eficiencia del proceso, mientras que la auscultación y los ensayos permiten controlar la evolución de las propiedades mecánicas del terreno. La interpretación de los resultados debe considerar las condiciones hidrogeológicas, en especial el efecto de las presiones intersticiales sobre la respuesta del suelo.

Las futuras líneas de innovación se orientan hacia la instrumentación directa de los equipos de compactación y la adquisición automática de datos durante la ejecución. La incorporación de sistemas capaces de registrar el descenso de la maza tras cada impacto permitiría determinar de forma continua la deformación inducida en el terreno y establecer curvas de respuesta para cada punto de tratamiento. La integración de estos datos con los parámetros de energía, posición y número de impactos permitiría desarrollar estrategias de control adaptativo que ajusten las condiciones de compactación a la respuesta real del terreno. Esta evolución tecnológica favorecería la transición desde un control basado principalmente en verificaciones posteriores hacia un modelo de supervisión continua, en el que la ejecución, la auscultación y la evaluación geotécnica queden integradas en un mismo sistema de control.

En esta conversación puedes escuchar las ideas más interesantes sobre este tema.

Este vídeo nos ofrece un resumen de la compactación dinámica.

Referencias:

Armijo Palacio, G., & Blanco Calzada, M. Á. (2017, 18 de septiembre). Diseño y verificación del tratamiento de mejora del terreno mediante compactación dinámica. Aplicación a un caso real. Interempresas: Obras públicas. https://www.interempresas.net/ObrasPublicas/195230-Diseno-verificacion-tratamiento-mejora-terreno-mediante-compactacion-dinamica-Aplicacion.html

Yepes, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Editorial Universitat Politècnica de València. https://www.lalibreria.upv.es/portalEd/UpvGEStore/products/p_428-3-1

Cursos:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

Curso de compactación superficial y profunda de suelos en obras de ingeniería civil y edificación.

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

5 ideas reveladoras sobre la vida secreta de nuestros edificios y puentes (y por qué debería importarte).

Colapso de una torre de viviendas en Ronan Point (Reino Unido). By Derek Voller, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=59931718

Cada día cruzamos puentes y entramos en edificios con una confianza casi absoluta en su solidez. Damos por hecho que el hormigón y el acero que nos rodean son permanentes. Sin embargo, la realidad es que estas estructuras, al igual que cualquier otra cosa, envejecen, se desgastan y están expuestas a amenazas constantes. Esta degradación no es un problema lejano, sino una realidad silenciosa que ya está aquí. Se trata, como ya he comentado algunas veces, de una verdadera «crisis de las infraestructuras». De eso nos estamos ocupando en el proyecto de investigación RESIFIFE, del cual soy investigador principal.

Para comprender la magnitud del desafío, basta con echar un vistazo a las cifras. Según el informe de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE) de 2021, casi el 42 % de todos los puentes de Estados Unidos tienen más de 50 años y un preocupante 7,5 % se consideran «estructuralmente deficientes». A nivel mundial, el panorama es igualmente preocupante. El Foro Económico Mundial estima que la brecha de inversión en infraestructuras podría alcanzar los 18 billones de dólares para el año 2040.

No se trata solo de un problema para ingenieros y gobiernos. Afecta a nuestra seguridad, a nuestra economía y a nuestro futuro. Por eso, hemos recopilado la investigación más reciente para compartir cinco de las ideas más reveladoras que los expertos están debatiendo sobre la gestión del ciclo de vida de nuestra infraestructura.

Los dos «enemigos» al que se enfrentan nuestras estructuras

La degradación de un edificio o un puente no es un proceso único. Para los ingenieros, el primer paso es siempre realizar un diagnóstico correcto. En este caso, hay dos tipos muy diferentes:

  • La degradación progresiva: piense en ella como un desgaste lento y constante. Se trata del «deterioro ambiental», por ejemplo, la corrosión del acero causada por la sal en el aire o la fatiga del material tras soportar cargas durante décadas. Es un enemigo paciente que debilita la estructura poco a poco a lo largo de toda su vida útil.
  • La degradación instantánea: son los impactos repentinos y violentos. Se trata de «eventos extremos», como terremotos, inundaciones o incluso desastres provocados por el ser humano. A diferencia de la degradación progresiva, un solo evento de este tipo puede reducir drásticamente el rendimiento de una estructura en cuestión de minutos.

Comprender esta diferencia es crucial, ya que no se puede utilizar la misma estrategia para reparar una grieta por fatiga que para recuperar una estructura después de un terremoto.

La caja de herramientas de los ingenieros: mantenimiento frente a reparación

Frente a estos dos enemigos, la ingeniería no lucha con las manos vacías. Cuenta con una caja de herramientas específica para cada amenaza, con dos categorías principales de soluciones o «mecanismos de intervención».

  • Mantenimiento: son acciones planificadas para combatir la degradación progresiva. Piense en ellas como la medicina preventiva. Estas «intervenciones preventivas o esenciales» incluyen tareas como reparar grietas, aplicar una nueva capa de pintura protectora o reemplazar componentes estructurales antes de que fallen. El objetivo es frenar el desgaste natural.
  • Reparación: son las acciones que se llevan a cabo en respuesta a la degradación instantánea. Pueden ser «preventivas», como reforzar una estructura (retrofit) para que resista mejor un futuro terremoto, o «correctivas», como las labores de recuperación para devolver la funcionalidad lo antes posible.

Este enfoque de «ciclo de vida» supone un cambio fundamental. En lugar de esperar a que algo se rompa para repararlo, los ingenieros modernos planifican, predicen e intervienen a lo largo de toda la vida útil de la estructura para garantizar su rendimiento a largo plazo.

Más allá de la seguridad: las cuatro formas de medir el «éxito» de una estructura

Es aquí donde el campo se ha vuelto realmente fascinante. La forma de evaluar el «éxito» de una estructura ha evolucionado desde una pregunta sencilla de «¿se ha caído o no?» basta un cuadro de mando sofisticado con cuatro indicadores clave. Para entenderlo mejor, podemos pensar en cómo se evalúa a un atleta profesional:

  • Fiabilidad (reliability): esta es la base. ¿Puede el atleta aguantar el esfuerzo de un partido sin lesionarse? Mide la probabilidad de que una estructura no falle en las condiciones para las que fue diseñada.
  • Riesgo (risk): este indicador va un paso más allá. Si el atleta se lesiona, ¿qué consecuencias tiene para el equipo? ¿Se pierde un partido clave o la final del campeonato? El riesgo tiene en cuenta las consecuencias de un fallo: sociales, económicas y medioambientales.
  • Resiliencia (resilience): este es un concepto más nuevo y crucial. En caso de lesión, ¿cuánto tiempo tardará el atleta en recuperarse y volver a jugar al máximo nivel? Mide la capacidad de una estructura para prepararse, adaptarse y, sobre todo, recuperarse de manera rápida y eficiente tras un evento extremo.
  • Sostenibilidad (sustainability): esta es la visión a largo plazo. ¿Está el atleta gestionando su carrera para poder jugar durante muchos años o se quemará en dos temporadas? La sostenibilidad integra los aspectos sociales, económicos y medioambientales para garantizar que las decisiones de hoy no afecten a las generaciones futuras.

Este cambio de enfoque para evaluar las consecuencias supone una revolución en el campo. Los expertos señalan un cambio de mentalidad fundamental: ya no basta con medir el rendimiento en términos técnicos. Ahora se centran en las consecuencias en el mundo real (sociales, económicas y ambientales), ya que estas ofrecen una visión mucho más fiel y significativa de lo que realmente está en juego.

 

La carrera contra el tiempo: por qué este campo está investigando ahora

El interés por modelar y gestionar el ciclo de vida de las estructuras no es solo una curiosidad académica, sino una respuesta directa a una necesidad global cada vez más acuciante. Un análisis de la investigación científica en este campo revela una clara «tendencia ascendente».

El número de artículos publicados sobre este tema ha crecido constantemente, pero se observa un «incremento importante» a partir de 2015. Este auge de la investigación no es académico, sino una respuesta directa a las alarmantes cifras que vimos al principio. La comunidad mundial de ingenieros está en una carrera contra el tiempo para evitar que ese déficit de 18 billones (18·1012) de dólares se traduzca en fallos catastróficos.

El futuro es inteligente: De la reparación a la predicción

Para gestionar esta complejidad, la ingeniería está recurriendo a herramientas cada vez más avanzadas que van más allá del cálculo tradicional. El objetivo es pasar de un enfoque reactivo a otro predictivo y optimizado. Es como pasar de ir al médico solo cuando tienes un dolor insoportable a llevar un reloj inteligente que monitoriza tu salud las 24 horas del día y te avisa de un problema antes incluso de que lo notes.

Entre las metodologías más destacadas se encuentran:

  • Optimización: algoritmos que ayudan a decidir cuál es la mejor estrategia de mantenimiento (cuándo, dónde y cómo intervenir) para obtener el máximo beneficio con recursos limitados.
  • Modelos de Markov: herramientas estadísticas que funcionan como un pronóstico del tiempo para las estructuras, ya que predicen su estado futuro basándose en su condición actual.
  • Inteligencia artificial (IA), aprendizaje automático y aprendizaje profundo: estas tecnologías permiten analizar grandes cantidades de datos (de sensores, inspecciones, etc.) para predecir fallos, identificar patrones invisibles al ojo humano y optimizar la gestión del ciclo de vida a una escala nunca antes vista.

Este cambio de paradigma significa que, en el futuro, las decisiones sobre cuándo reparar un puente o reforzar un edificio se tomarán con la ayuda de datos y algoritmos complejos que pueden prever el futuro de la estructura.

Conclusión: pensar en el mañana, hoy

Gestionar la salud de nuestra infraestructura es un desafío continuo, complejo y vital. Ya no basta con construir estructuras impresionantes; es fundamental adoptar una mentalidad de «ciclo de vida» que nos obligue a evaluar, intervenir y planificar constantemente pensando en el futuro. Solo así podremos garantizar que los edificios y puentes que usamos cada día no solo sean fiables, sino también resilientes ante los imprevistos y sostenibles para las próximas generaciones.

La próxima vez que cruces un puente, no pienses solo en dónde te lleva. Pregúntate cuál es su historia invisible en su lucha contra el paso del tiempo y si, como sociedad, estamos invirtiendo no solo para construir, sino también para perdurar.

Os dejo un vídeo que os puede servir de guía.

Referencias:

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Energía de impacto: cómo responden las estructuras ante una colisión

Figura 1. Ejemplo de carga de impacto entre dos vehículos.

En ingeniería, las cargas que actúan sobre una estructura se clasifican en dos tipos principales: estáticas y dinámicas, según si permanecen constantes o varían con el tiempo.

Una carga estática se aplica lentamente y no produce efectos vibratorios ni dinámicos en la estructura. Es decir, la carga aumenta gradualmente desde cero hasta alcanzar su valor máximo y, a partir de ahí, permanece constante. Un ejemplo de carga estática típica es el peso de un objeto colocado cuidadosamente sobre una superficie.

Por su parte, las cargas dinámicas pueden adoptar muchas formas y comportarse de manera más compleja. Algunas se aplican y se retiran de forma repentina, como las cargas de impacto, mientras que otras persisten durante periodos largos y varían continuamente de intensidad, y se conocen como cargas fluctuantes. Las cargas de impacto se producen, por ejemplo, cuando dos objetos colisionan o cuando un objeto en caída golpea una estructura (Figura 1). En cambio, las cargas fluctuantes suelen estar asociadas a maquinaria rotatoria, tránsito de vehículos, ráfagas de viento, olas del mar, movimientos sísmicos o procesos industriales de fabricación. La carga dinámica sobre un cuerpo se puede considerar como una carga aplicada en forma estática multiplicada por un factor de mayoración.

Muchos elementos de las máquinas están sometidos a cargas variables que cambian de intensidad con el tiempo. El comportamiento de los materiales sometidos a este tipo de carga es muy diferente del que presentan frente a cargas estáticas. Por ejemplo, una pieza que puede soportar sin problemas una gran carga estática podría fallar si se le aplica una carga mucho menor, pero repetida un gran número de veces.

Las cargas variables generan esfuerzos alternantes en el material que tienden a producir pequeñas grietas en su superficie. Con cada repetición de la carga, estas grietas se van propagando poco a poco hasta que finalmente se produce la rotura total de la pieza. A este fenómeno, en el que la acumulación de daños por cargas repetidas provoca la fractura, se le conoce como fatiga.

Para ilustrar cómo responde una estructura ante una carga dinámica, analicemos un caso sencillo, pero revelador: el impacto de un objeto que cae sobre el extremo inferior de una barra prismática (Figura 2). Supongamos que un collarín con masa , inicialmente en reposo, se deja caer desde una altura hasta chocar contra una brida fija al extremo inferior de la barra.

Figura 2. Carga de impacto sobre una barra prismática.

Cuando el collarín golpea la brida, la barra comienza a alargarse debido a que el impacto genera esfuerzos axiales internos. En un intervalo muy breve, del orden de algunos milisegundos, la brida desciende y alcanza su posición de desplazamiento máximo. A partir de ese momento, la barra comienza a vibrar longitudinalmente: primero se acorta, después se alarga, luego se vuelve a acortar y así sucesivamente, con el extremo inferior oscilando hacia arriba y hacia abajo.

Estas vibraciones son similares a las que se observan cuando se estira y suelta un resorte o cuando una persona salta con una cuerda elástica atada al tobillo. No obstante, estas vibraciones no persisten indefinidamente, ya que el material presenta efectos de amortiguamiento que hacen que se atenúen rápidamente y la barra finalmente quede en reposo con la masa M apoyada sobre la brida.

Es evidente que la respuesta de la barra al impacto del collarín es bastante compleja. Un análisis completo y preciso requiere recurrir a técnicas matemáticas avanzadas para describir el fenómeno en detalle. Sin embargo, es posible obtener una aproximación útil utilizando el concepto de energía de deformación y formulando algunas suposiciones simplificadoras.

  • Antes de liberar el collarín, este se encuentra a una altura sobre la brida y posee una energía potencial gravitatoria:

donde es la aceleración de la gravedad.

  • A medida que cae, la energía potencial se convierte en energía cinética. Justo al impactar, toda la energía es cinética:

siendo n=√(2 · g · h) la velocidad del collarín en el momento del choque.

Figura 3. Alargamiento producido por el impacto

Durante el impacto, la energía cinética del collarín se transforma en otras formas de energía. Una parte se convierte en energía de deformación cuando la barra se estira. Otra parte se disipa en forma de calor y mediante deformaciones plásticas locales tanto en el collarín como en la brida. Además, una pequeña fracción de la energía permanece como energía cinética residual en el collarín, que puede seguir moviéndose hacia abajo mientras está en contacto con la brida e, incluso, rebotar hacia arriba.

Para simplificar el análisis de esta situación tan compleja, haremos algunas idealizaciones y asumiremos las siguientes condiciones:

  1. Supondremos que el collarín y la brida están diseñados de manera que, tras el impacto, el collarín «se pega» a la brida y se desplaza hacia abajo con ella. Es decir, asumimos que no hay rebote. Este comportamiento es más probable cuando la masa del collarín es mayor que la de la barra.

  2. Ignoraremos todas las pérdidas de energía y supondremos que toda la energía cinética del collarín al caer se transforma por completo en energía de deformación de la barra. Esta simplificación da como resultado esfuerzos mayores de los que realmente se producirían si se tuvieran en cuenta las pérdidas de energía.

  3. No tendremos en cuenta los cambios en la energía potencial de la barra debidos a su movimiento vertical ni la energía de deformación asociada a su propio peso. Ambos efectos son extremadamente pequeños y pueden ignorarse.

  4. Supondremos que los esfuerzos en la barra se mantienen dentro del rango linealmente elástico, es decir, que no se produce deformación plástica en la barra.

  5. Consideraremos que la distribución de esfuerzos en toda la barra es la misma que si estuviera sometida a una carga estática en su extremo inferior, es decir, que los esfuerzos son uniformes en todo el volumen de la barra. En realidad, las ondas de esfuerzo longitudinal que se propagan por la barra causan variaciones en la distribución del esfuerzo, pero aquí las despreciaremos para simplificar el análisis.

Con estas suposiciones, podemos calcular el alargamiento máximo de la barra y los esfuerzos de tensión máximos producidos por la carga de impacto. Hay que recordar que en este análisis no se tiene en cuenta el peso de la barra y que únicamente se evalúan los esfuerzos generados por la caída del collarín.

Este análisis energético, aunque simplificado, permite comprender los principios fundamentales que rigen la respuesta de las estructuras ante una carga de impacto, así como las vibraciones que se generan y la forma en que se amortiguan hasta que la estructura alcanza un nuevo estado de equilibrio.

En este tipo de análisis, asumimos que no hay pérdidas de energía durante el impacto. Sin embargo, en la realidad estas pérdidas siempre están presentes y, por lo general, se disipan en forma de calor y mediante deformaciones localizadas en los materiales. Por tanto, la energía cinética del sistema es menor inmediatamente después del impacto que antes de este. Esto significa que la barra se deforma menos de lo que predice nuestro análisis simplificado. Por lo tanto, el desplazamiento real del extremo de la barra (como se muestra en la Figura 3) es menor que el calculado en el modelo idealizado.

También supusimos que los esfuerzos en la barra permanecían siempre dentro del límite de proporcionalidad, es decir, en el rango elástico. Si el esfuerzo máximo sobrepasa este límite, la relación entre el alargamiento de la barra y la fuerza axial deja de ser lineal y el análisis se vuelve mucho más complejo.

Además, hay otros factores que influyen en la respuesta real de la estructura y que no hemos tenido en cuenta en el modelo, como las ondas de esfuerzo que se propagan a lo largo de la barra, el amortiguamiento y las posibles imperfecciones en las superficies de contacto. Por estas razones, debemos tener presente que todas las fórmulas y resultados obtenidos bajo estas suposiciones son válidos solo en condiciones muy idealizadas y tienden a sobreestimar el alargamiento real de la barra.

Por otro lado, los materiales dúctiles, es decir, aquellos que pueden deformarse considerablemente más allá del límite de proporcionalidad, ofrecen una mayor resistencia frente a las cargas de impacto que los materiales frágiles. También es importante recordar que las barras con ranuras, agujeros u otras concentraciones de esfuerzo son muy vulnerables al impacto: incluso un golpe ligero puede causar una fractura, aunque el material sea relativamente dúctil bajo cargas estáticas.

Por tanto, para resistir con más eficacia una carga de impacto, un elemento estructural debe tener un gran volumen, estar fabricado con un material que tenga un módulo de elasticidad bajo y una alta resistencia a la fluencia, y tener una forma que permita distribuir los esfuerzos de manera uniforme por todo el elemento.

Para un análisis más profundo, recomendamos al lector consultar alguna referencia como las que dejamos a continuación.

Referencias:

Beer, F.P.; Johnston, J. E.; DeWolf, J.T.; Mazurek, D.F. (2017). Mecánica de Materiales. Séptima edición, McGraw Hill, México.

Gere, J. M., & Goodno, B. J. (2009). Mecánica de materiales. Séptima edición, Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., México.

Barreras dinámicas en la protección de taludes

Figura 1. Barrera dinámica http://www.geotalud.es/barreras.php

Las barreras dinámicas están formadas por una estructura de geometría variable diseñada para detener bloques de gran tamaño que se desprenden de un talud. Estos sistemas se basan en la absorción de impactos mediante la progresiva disipación de la energía cinética de los bloques, que se convierte en trabajo de frenado. Para ello, se dispone una malla de cables de acero montada sobre postes metálicos articulados en su base, a los que van unidos cables de disipación de energía que son los que efectúan la detención. Las pantallas dinámicas para la retención de rocas en laderas inestables están formadas por una red de intercepción, postes anclados al terreno, cables de conexión y elementos disipadores de energía. Gracias a su capacidad de deformación, estos elementos permiten que el sistema soporte una gran energía de impacto. Durante el impacto, el sistema disipa la energía de la caída de las rocas e impide movimientos adicionales.

En el mercado existen actualmente barreras cuyo rango de capacidad de absorción de energía varía entre 250 kJ y 3500 kJ, con capacidades aún mayores que pueden llegar a 5000 kJ, 8600 kJ y 10 000 kJ, según la norma ETAG 27. Para que os hagáis una idea, un bloque de 1 m³, que puede pesar 2,5 t, en caída libre desde 100 m, desarrolla una energía cinética de unos 2500 kJ. El 16 de octubre de 2017 en Walenstadt, St. Gallen/Suiza, una barrera de protección contra la caída de rocas de la empresa suiza Geobrugg logró soportar una energía de impacto de 10.000 kJ. Un nuevo récord mundial.

Figura 2. Barrera tipo Debris Flow, para la detención de flujos de escombros y lodo. http://www.mallatalud.com/obracivil/iberobarrera.php

Os dejo algunos vídeos explicativos de este sistema de protección y estabilización de laderas.

En este vídeo podemos ver una prueba de detención de una masa de 20 toneladas mediante un sistema de la firma Geobrugg.

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.