Monitoreo de vibraciones en instalaciones de almacenamiento, relaves y Presas

La monitorización de vibraciones en infraestructuras críticas es fundamental. Las fuertes sacudidas provocadas por terremotos y otras causas pueden ocasionar daños o incluso fallos críticos. Estos eventos pueden tener graves consecuencias. Por ello, la monitorización del estado de estas infraestructuras es crucial para la continuidad operativa y la seguridad pública. El tipo de instrumentos necesarios para monitorizar una estructura dependerá de los resultados deseados. Algunas aplicaciones requieren la generación de una alarma inmediata ante un determinado nivel de velocidad del terreno (mm/s) o aceleración (g). Otras, en cambio, requieren un instrumento capaz de detectar movimientos de baja frecuencia y amplitud muy baja, manteniendo un nivel de saturación muy alto (donde la señal alcanza el valor máximo permitido) para poder determinar los modos resonantes de la estructura.

Causas del daño

terremotos locales son uno de los peligros que pueden afectar el almacenamiento de agua y presas hidroeléctricas, así como las instalaciones de almacenamiento de relaves mineros (TSF). En Australia, en este contexto, terremotos locales se definen como aquellos que ocurren dentro de un radio de aproximadamente 300km, basándose en la magnitud máxima creíble de terremoto (MCE) de Mw7.5 para nuestro continente. Más allá de esta distancia, es poco probable que la energía liberada por los terremotos más fuertes dañe una estructura bien diseñada. Terremotos que ocurren dentro de este radio pueden contener un amplio rango de frecuencias de movimiento del suelo, desde menos de 1Hz hasta más de 100Hz. La mayoría de las grandes estructuras tienen periodos naturales en el rango de 10Hz, por lo que los instrumentos utilizados deben ser sensibles a frecuencias muy bajas para registrar cómo resuenan cuando se sacuden a estas bajas frecuencias.

En los últimos años se han registrado casos notables de daños o fallas en presas y TSF debido a movimientos sísmicos. Los daños a una estructura causados ​​por un evento pueden ser evidentes en ocasiones, pero en algunos casos, la falla puede ocurrir después de una serie de eventos que pueden tener un efecto acumulativo en la integridad de la estructura. Existen casos en los que la magnitud del daño interno no estaba clara debido a la falta de instrumentación de monitoreo de vibraciones para cuantificar la cantidad de movimiento dinámico sufrido durante un terremoto, lo que dio lugar a décadas de investigaciones continuas, tanto para cuantificar el movimiento de la estructura como para mitigar los efectos del daño potencial que podría (o no) haber estado dentro de los parámetros de diseño.

Instrumentos de monitorización de vibraciones

sensores de aceleración, o acelerómetros, suelen tener una respuesta de frecuencia lineal hasta la corriente continua (cercana a cero Hz), lo que significa que la amplitud del movimiento del suelo que miden a bajas frecuencias coincide con la amplitud registrada a frecuencias más altas. La limitación de los acelerómetros radica en que sus niveles de ruido propio tienden a ser relativamente altos, lo que implica que las señales de baja frecuencia y pequeña amplitud quedan enmascaradas. Esto, a su vez, significa que no se puede determinar ni comparar el período natural de respuesta de la estructura antes y después del terremoto.

Los geófonos pasivos (sensores de velocidad mecánicos) son buenos para registrar altas frecuencias y tienen un ruido propio muy bajo, pero a bajas frecuencias, la linealidad de la amplitud comienza a disminuir. Esto se puede mejorar manipulando electrónicamente la señal, pero esto tiende a introducir ruido, lo cual anula el propósito. La respuesta de baja frecuencia de un geófono suele ser su especificación principal, como 14Hz, 10Hz, 8Hz, 4.5Hz, 2Hz o 1Hz.

sistemas de monitoreo sísmico en minas están diseñados para detectar eventos de alta amplitud y alta frecuencia en un radio de unos pocos cientos de metros, por lo que suelen utilizar geófonos 8Hz o frecuencias superiores. Sin embargo, estos no son adecuados para el monitoreo estructural, ya que carecen de la sensibilidad y la linealidad de baja frecuencia necesarias para reflejar la respuesta de la estructura. Incluso los instrumentos de superficie para pruebas de voladura que utilizan geófonos 4.5Hz carecen de la sensibilidad y la linealidad requeridas para detectar terremotos locales y mostrar resonancia estructural. Como en la mayoría de los casos, es necesario sopesar algunos factores en función de otros; en este caso, el alcance, el nivel de ruido, la linealidad, la sensibilidad y el costo.

Sensibilidad del instrumento

Un factor clave en la sensibilidad del sistema reside en el registrador de datos. sistemas tradicionales de registro sísmico para minería y exploración se centran en eventos cercanos de gran magnitud, por lo que la resolución del sistema es menos importante que su capacidad para registrar la amplitud máxima. Si bien un sistema de 16 bits puede registrar una alta velocidad máxima de partícula (PPV), no es posible calcular el período natural de una estructura cuando el nivel de vibración ambiental se encuentra dentro de los últimos bits de los datos. Los registradores modernos 24 bits y bajo ruido ofrecen hasta 256x más resolución, lo que permite determinar el período natural manteniendo el rango de medición máximo.

Si la aplicación requiere que se active una alarma a un nivel específico de velocidad del suelo, recomendamos utilizar un sistema basado en geófonos de 2Hz. El Gecko Tremor utiliza estos sensores, lo que proporciona un rango de medición de hasta 254mm /s, ajustable a un nivel de recorte inferior si se requiere mayor sensibilidad. Si la aplicación requiere que los datos se registren como aceleración, se recomienda un acelerómetro de bajo ruido.

Un instrumento como el Gecko SMA-HR tiene un nivel de detección de ±2g (un nivel de aceleración que es improbable que se supere, incluso por un MCE australiano cercano) y mantiene una sensibilidad de baja frecuencia que puede registrar el balanceo de una estructura durante varios segundos por ciclo. El Gecko SMA de especificaciones inferiores puede registrar ±2g y valores superiores (ideal para la monitorización de explosiones en campo cercano), pero los sensores utilizados en este modelo tienen un nivel de ruido cientos de veces superior al del SMA-HR, por lo que es posible que no se detecte todo el rango de movimiento de una estructura.

Resumen y análisis

En resumen, si su sistema de monitoreo estructural se basa en el registro de la velocidad del suelo, asegúrese de usar geófonos pasivos con una respuesta lineal de baja frecuencia inferior a 4.5Hz (2Hz o 1Hz), y si está analizando la respuesta de su estructura mediante sensores de aceleración, utilice sensores con un ruido propio muy bajo (menos de 30µg en el ancho de banda de DC-200Hz) para capturar el período natural y la respuesta de frecuencia completa de su estructura ante todos los eventos locales. La única forma de estar seguro de cómo se movió una estructura durante un terremoto es registrándolo, y tener instrumentos instalados en y a lo largo de una presa o TSF para verificar que respondió como se esperaba ayudará en la gestión del activo y proporcionará datos a los ingenieros para mejoras en las estructuras existentes y futuras.