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Instrumentación geotécnica

DYNA Force: Sensores elastomagnéticos para anclajes de cable y barra

Amadeo Vilar Brumbeck. Geólogo Dywidag Sistemas Cons. S.A. Director General (vilar@dywidag-sistemas.com) / Víctor Herrera Guerrero. I.T.O.P. Dywidag Sistemas Cons. S.A. Técnico Comercial (herrera@dywidag-sistemas.com) / Fernando Martínez Pérez-Beato. I.C.C.P. Dywidag Sistemas Cons. S.A. Director Técnico (martinez@dywidag-sistemas.com)

10/02/2017

El sistema de monitorización DYNA Force surge de la creciente necesidad de controlar de manera fehaciente cualquier tipo de estructura, bien en superficie, como pueden ser los puentes y edificios, bien bajo tierra, caso de las estructuras ancladas y/o pilotadas.

El sistema DYNA Force es especialmente efectivo en tendones de cable o de barra y, a diferencia de otros más convencionales como las células de carga, nos permite, además, conocer el estado de carga de cada una de las partes del elemento a controlar y, dentro de éstas, diferentes zonas de la misma.

En definitiva, se trata de un método cómodo, preciso y económico para ensayar el estado tensional de los tendones postesados, bien en su conjunto, bien en una parte concreta de éstos.

1.- Descripción general

El sistema de monitorización mediante sensores DYNA Force está basado en las propiedades magneto-elásticas de los materiales ferrosos. La permeabilidad del acero en un campo magnético cambia con el nivel de tensión del acero. Si medimos los cambios de permeabilidad, podremos determinar el grado de tensión del acero.

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Fig. 1. Diferentes tipos de estructuras de aplicación de sistema DYNA Force.

El sensor no altera las características del tendón más allá de la magnetización del punto donde es instalado. Se ha diseñado una unidad de lectura capaz de activar el acero a través del sensor y medir su respuesta a este impulso. La unidad de lectura convierte esta respuesta en unidades de fuerza. El sensor tiene un termistor integrado que permite compensar la temperatura.

Debido a la diversidad de las propiedades magnéticas de los distintos aceros, es necesario hacer una calibración previa que permita a los sensores rendir a su más alta capacidad y con la mayor precisión.El margen de error del sistema es de 1,5% en cable y 3% en barras.

DYNA Force nos permite controlar las cargas de los anclajes de cable y barra periódicamente y en pocos minutos como parte del protocolo de inspección y sin necesidad de mover equipos a obra o mover sistemas de elevación excesivamente caros. El sistema evita los errores y riesgos asociados a los trabajos en altura.

El sensor DYNA Force es robusto, no requiere mantenimiento, no tiene partes móviles y su vida útil es, al menos, tan prolongada como la de las estructuras que lo contienen.

Los sensores DYNA Force son cilíndricos y se instalan sobre la barra o cable, incluso si éstos están envainados, engrasados, con epóxi o galvanizados.

El sistema DYNA Force se caracteriza, en definitiva, por su precisión, rendimiento, fácil instalación, durabilidad y bajo coste.

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Fig. 2. Representación del sistema completo DYNA Force.

2.- Componentes principales

Sensores DYNA Force

  • Disponibles para diferentes diámetros de barra y cable.
  • El tamaño de los sensores también depende de las características del anclaje: área de la bobina, etc.
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Fig. 3. Sensor DYNA Force.

Unidad de Lectura

  • Toda la información queda salvada en la Unidad de Lectura.
  • No es posible hacer mediciones sin esta Unidad.
  • Antes de utilizarla, es necesario definir algunos parámetros a través del display de la Unidad Lectora y un portátil conectado.
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Fig. 4. Unidad de Lectura.

Cables de conexión

Multiplexers (distribuidor) para lectura automática

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Fig. 5. Multiplexer.

Modem y unidad de control para lectura remota para lectura automática

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Fig. 6. Ordenador portátil.

Una vez que un sensor ha sido instalado en un cable o en una barra, la carga puede ser medida y grabada manual, automática o remotamente.

3.- Principio de funcionamiento

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Fig. 7. Secuencia de fucionamiento.

4.- Garantía de Calidad

Todos los sensores DYNA Force son fabricados y ensamblados en instalaciones bajo un estricto control de calidad. Además, cada sensor es calibrado, embalado y etiquetado individualmente por DSI antes de su envío a obra. Asimismo, todo el harware y software asociado, incluso los lectores manual y remoto son ensayados previamente.

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Fig. 8. Ensayo de calibración.
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Fig. 9. Curva de calibración.

La curva de calibración no tiene que ser siempre válida, hay otras variables que pueden influir en los resultados como nuevas coladas de material, diámetro del cable, límite elástico, etc. En ese caso tendrían que hacerse nuevas curvas de calibración (ver fig. 10). Cada sensor es comprobado y calibrado individualmente (ver fig. 9).

Para hacer la calibración se necesita una muestra de al menos 1 m de barra/cable. Para anclajes con un límite elástico y un diámetro de barra/cable común se deriva sólo una curva de calibración usada para todo el proyecto o, al menos, para cada colada.

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Fig. 10. Parámetros de influencia.
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Fig. 11. Calibración de sensor para barra Dywidag 40 WR 950/1050.

5.- Producción de anclajes incluyendo el DYNA Force

Una vez calibrados todos los sensores para cada tipo de cable, en DSI se genera un diagrama de cableado en el que cada sensor tiene un número y una disposición específica dentro del diagrama.

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Fig. 12. Diagrama de cableado.

Cada sensor es etiquetado y montado en los anclajes de cable/barra en las instalaciones de DSI protegiendo tanto los sensores como los conectores contra cualquier daño durante el transporte y la instalación. De esta forma, los anclajes quedan listos para ser enrollados y transportados a obra sin riesgo de daño.

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Fig. 13. Montaje de los sensores en taller.

Así como los cuerpos de anclaje salen de fábrica con los sensores montados, las cabezas, que han de ser instaladas en obra, también requieren una preparación previa. De hecho, sencilla, que consiste en mecanizar en la placa de reparto una salida para el cableado. Esta salida también será necesaria en la caperuza de protección (ver fig. 13).

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Fig. 14. Disposición sensores y cableado en anclajes y cabezas.
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Fig. 15. Ejemplo de Diagrama de posicionamiento y numeración.

A pesar de que durante el desarrollo del sistema se realizaron numerosos tests, DSI hizo ensayos específicos para determinar el impacto de los elementos que rodeaban al acero sobre la precisión de los sensores. En estos tests los sensores fueron situados tanto en el centro como en el exterior del paquete de cables. Las cargas fueron aplicadas usando un gato de tesado convencional y monitorizadas a través de células de carga de precisión.

Las lecturas de las células se compararon con los resultados de la unidad de lectura de los sensores, obteniéndose excelentes correlaciones.

Al aplicar sensores DYNA Force en un anclaje al terreno, éstos se suelen montar en el anclaje durante la fabricación del mismo en las instalaciones de DSI, aunque también es factible hacerlo en la propia obra.

6.- Precisión

Los sensores DYNA Force proporcionan lecturas muy precisas. Se analizaron los datos obtenidos para anclajes al terreno de cable de 0,6” (15,2 mm). Cada uno de los anclajes fue equipado con tres sensores DYNA Force, así como con una célula de carga hidráulica. El gráfico muestra claramente cómo las lecturas obtenidas de los sensores DYNA Force son muy similares a los datos proporcionados por el manómetro del gato durante los distintos escalones de carga. Durante el ensayo se comprobó que los sensores eran sensiblemente más precisos que las células de carga en comparación con las cargas aplicadas y leídas en el propio gato.

7.- Diferentes opciones en la toma de datos

  • Opción Manual: Cada sensor DYNA Force se conecta individualmente a la Unidad de Lectura. Seleccionando el canal adecuado y su número de sensor correspondiente, en tres segundos podemos obtener y ver en la pantalla la carga de la barra o cable. La lectura también puede ser grabada manualmente.
  • Opción Automática: Todos los sensores DYNA Force están conectados a la Unidad de Lectura a través de cables que van a un multiplexer (distribuidor). La Unidad de Lectura está programada para registrar la temperatura y la carga de cada sensor en un determinado intervalo de tiempo, pudiendo registrar hasta 2.400 grupos de datos. La información grabada puede ser descargada a un portátil usando un puerto RS232 conectado a la Unidad de Lectura. Los datos se encuentran en formato Txt o ASCII y pueden importarse a otros programas para ser analizados.
  • Opción Remota: Todos los sensores DYNA Force están conectados a la Unidad de Lectura a través de cables que van a un multiplexer (distribuidor). También lleva conectado un modem. Con una tarjeta SIM podemos conectarnos desde cualquier dispositivo remoto usando una dirección IP. Se suministra un software para la recogida de datos a través de un puerto RS232. A partir de aquí, los datos pueden ser tomados y almacenados en los intervalos que se quieran. Los datos se encuentran en formato Txt o ASCII y pueden importarse a otros programas para ser analizados.

8.- Información técnica

  • Necesidades de potencia eléctrica: El sistema trabaja con 110 ó 220 voltios. También admite una batería de 24 voltios, aunque se recomienda, en este caso, acompañarlo de un acumulador de paneles solares para mantenerla cargada continuamente.
  • Compatibilidad del sistema: La lectura de la Unidad de Lectura es en formato numérico digital, pero puede fácilmente ser transformado a otro formato de lectura. Por ejemplo, si el sistema de recogida de datos es analógico, con un convertidor conectado a la Unidad de Lectura podemos transformar la información.
  • Temperatura de uso: El rango de temperatura de uso de la Unidad de Lectura es de 0º a 66°C. Cuando se use en invierno, es importante tomar precauciones para tratar de mantener la Unidad por encima de los 6°C. el rango de temperaturas para los cables es de -20º a 80°C.
  • Enchufes: Los conectores de los sensores y los cables de extensión son de 6 clavijas, mientras que el cable principal es de 12.
  • Manipulación de los sensores DYNA Force: Se requiere especial cuidado durante el transporte la instalación y el manejo de los sensores. Aunque éstos son muy robustos y duraderos, los cables pueden dañarse si no se manipulan cuidadosamente.
  • Efecto de la longitud de los cables: Aunque en ocasiones se utilizan prolongadores de cable para llevar los sensores a las Unidades de Lectura y a los Multiplexers, diversos ensayos han demostrado que que no hay pérdidas de precisión significantes, al menos hasta los 200 metros.
  • Protección de los extremos de cable y enchufes: Se deben de usar capots para estos extremos y si los cables o los conectores tienen que sumergirse en agua, se recomienda el uso de termorretráctil o sellantes para evitar la penetración de agua.
  • Compatibilidad térmica: Los sensores DYNA Force están equipados con un termistor que registra la temperatura del acero. Esta información se usa para corregir la permeabilidad. Cuando se coloca un sensor en un cable o barra, conviene esperar un par de horas antes de tomar ninguna lectura hasta que se produzca una compensación.

9.- Monitorización de anclajes al terreno en la zona de bulbo y en la zona libre

El cálculo de la longitud de bulbo en los anclajes al terreno (cable o barra) es crucial para los ingenieros calculistas, instaladores, contratistas y propiedades. La transferencia de la carga a lo largo de la longitud de bulbo se puede ahora medir si instalamos sensores DYNA Force a lo largo del bulbo. Varios sensores instalados escalonadamente en el bulbo de un anclaje de investigación, nos darán información de cómo llega la carga a esos puntos, de manera que, si comprobamos que la carga no llega o no se transmite a partir de zonas distales, tendremos la certeza de que los bulbos de los anclajes definitivos pueden ser perfectamente más cortos que los teóricos calculados sobre el papel.

Los sensores también pueden instalarse en la longitud libre, incluso sobre los cables o barras envainados, ofreciéndonos información sobre la carga del conjunto del anclaje y sobre el estado de fuerzas en cualquier punto y en cualquier momento presente o futuro.

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Fig. 16. Sensores DYNA Force en anclaje de cable.
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Fig. 17. Sensores DYNA Force en anclaje de barra.

10.- Experiencia en Europa: proyecto Frankfurt am Maim, Alemania

Aunque DSI ya había utilizado sensores DYNA Force en numerosos proyectos en Estados Unidos, ha sido en Frankfurt (Alemania) donde por primera vez se ha experimentado con ellos en Europa.

La obra consistió en un muro anclado con anclajes provisionales de 4 cables de 0,6”.

El sistema de monitorización previsto en proyecto contemplaba el uso de células de carga hidráulicas, de manera que se decidió complementarlo con sensores DYNA Force. De esta forma, se podría contrastar la efectividad de los sensores en comparación con las cargas que reflejaran tanto las células como el manómetro del gato de tesado, obteniendo así tres valores de referencia de tres sistemas totalmente diferentes.

Se colocaron sensores en dos secciones de pantalla diferentes. En total, dos sensores por anclaje en cuatro anclajes que tenían previsto célula de carga.

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Fig. 18. Plano de planta, sección y vista de los anclajes monitorizados.

Se calibraron los sensores y se preparó una unidad de lectura única para todos ellos. Los sensores fueron cuidadosamente montados sobre los anclajes en los talleres de DSI.

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Fig.19. Disposición de anclajes en obra.

Especialistas de DSI estuvieron en obra para la primera lectura (lectura 0) inmediatamente antes del primer tesado. Durante la Lectura 0 se tuvieron en cuenta las condiciones de temperatura y otros condicionantes.

Las lecturas de tesado fueron comparadas con las de las células de carga y con el manómetro del gato de tesado superligero de fibra tipo CFK tal como se había previsto.

A fin de que no hubiera distorsiones en los resultados, se hizo una primera precarga de cada cable individual con un gato monofilar para igualar así todos los cables y minimizar las posibles desviaciones de carga de cada cable.

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Fig. 20. Tesado previo para igualar cables.
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Fig. 21. Tesado con gato multifilar de fibra CFK.
  • Resultados

Una vez realizado el tesado de los anclajes con el gato multifilar se comprobaron las diferencias de medición de carga entre los sensores, las células y el manómetro del gato (ver tabla fig. 22).

Hay que decir que durante la instalación de los anclajes, los sensores de uno de ellos resultaron dañados, por lo que sólo se comprobaron seis sensores de los tres anclajes restantes, llegándose a las siguientes conclusiones:

  • Los valores de los sensores DYNA Force coincidieron en mucha mayor medida con los valores marcados en el manómetro del gato que los valores de las células de carga.
  • La medida de las células de carga se ve muy afectada por la excentricidad de la célula respecto al eje cuerpo de anclaje-placa de reparto, mientras que ésta no afecta a los sensores DYNA Force.
  • DYNA Force es una solución atractiva para monitorización de cargas.
  • Los sensores DYNA Force no resultan influenciados por la temperatura (el sensor lo compensa automáticamente).
  • No es necesario el uso de cabezas de anclaje con dimensiones especiales mayores como en el caso de las células de carga. Tampoco se necesitan caperuzas especiales en el caso de anclajes permanentes.
  • La instalación y manejo de los anclajes en obra no cambia respecto a su instalación convencional.
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Fig. 22 Comparativa resultados gato, células hidráulicas y sensores.

Como conclusión final podríamos decir que los sensores DYNA Force constituyen una solución atractiva para monitorización de cargas, pero ofrecen, además, la posibilidad adicional de poder ser aplicado en la zona de bulbo de los anclajes y optimizar así su longitud efectiva. Si tuviéramos la posibilidad en cada obra de instalar anclajes de prueba (investigación) dotados de sensores DYNA Force distribuidos escalonadamente a lo largo de la longitud del bulbo, podríamos saber exactamente cómo transfiere las cargas cada una de las zonas del bulbo, de manera que si a los sensores más distales no marcaran carga, sabríamos que la última parte del bulbo no trabaja, acortando sensiblemente las longitudes de bulbo para los anclajes de servicio.

10.1. Otros proyectos en Europa

  • Estabilización de taludes en Bosnia: Anclajes permanentes de 12 cables de 0,6” y 60 metros de largo, de los que 52 m eran de longitud libre. Se instalaron dos sensores en cada uno de los 12 anclajes seleccionados de los 32 totales.
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Fig. 23. Panorámica de la obra y los anclajes, montaje de sensores, tesado con gatos en serie para sumar carrera y disposición final de la cabeza ya cableada.
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Fig. 24. Anclaje monitorizado con capot de protección inoxidable.

En este proyecto se miden las cargas diariamente a través de los sensores DYNA Force de manera automática. Así se ha venido haciendo regularmente durante los últimos 36 meses, sin que ningún sensor ni anclaje hayan dado problema alguno.

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Fig. 25. Como se puede ver en este gráfico, los cambios de temperatura no afectan a la lectura de los sensores.

10.2. Otras referencias en el mundo

EUROPA

Proyecto Localización País Año Aplicación Cable/barra Nº sensores
Estadio Lille Francia 2011 Anclajes cable 38
Main Opernplatz Frankfurt Alemania 2013 Anclajes cable 24
Elbebrucke Bridge Schonebeck Alemania 2013 Anclajes cable 12
Tieback Wall Monitoring Frankfurt Alemania 2014 Anclajes cable 16
Micropile Investigation Frankfurt Alemania 2015 GEWI 63 barra 15
Dam Rehabilitation Trebinie Bosnia 2015 Anclajes cable 46
Slobe Stabilization Moglice Albania 2016 WR 40 barra 4
Hinkley Point Somerset Inglaterra 2017 GEWI 40 barra 80
Tiecak Wall Monitoring Ausburgo Alemania 2017 Anclajes cable 15

 

ESTADOS UNIDOS Y CANADÁ

Proyecto Localización País Año Aplicación Cable/barra Nº sensores
Waldo Bridge Penobscot (ME) EEUU 2005 Tirantes cable 240
Orinda City Hall Orinda (CA) EEUU 2006 Postesado cable 24
Discroll River Bridge Keasbey (NJ) EEUU 2007 Extradosado cable 24
Talud Patton Creek Birmingham (AL) EEUU 2008 Anclajes cable 8
Talud A-49 Auburn (CA) EEUU 2008 Bulones barra 12
Muro Park Place Toronto Canadá 2008 Anclajes cable 3
Hill County Arlington EEUU 2009 Postesado cable 7
Pasarela Puerto San Diego  EEUU 2009 Anclajes cable 6
Presa Roanoke Halifax County (NC) EEUU 2010 Anclajes cable 15
Depuradora Blooklyn (NY) EEUU 2010 Postesado barra 8
Hospital San Francisco (CA) EEUU 2010 Postesado barra 11
Cementera La Salle (IL) EEUU 2010 Postesado barra 2
Centro Tec. del Vierno Boston (MA) EEUU 2010 Postesado barra 25
Parque Eólico Little Falls (NY) EEUU 2010 Anclajes cable 35
Puente Wade I-81 Harrisburg (PA) EEUU 2010 Postesado cable 12
Calle Wadham Port Huron (MI) EEUU 2010 Anclajes cable 48
Muro Rte. 405 Los Ángeles (CA) EEUU 2011 Anclajes cable 47
Cimentación Packard Los Altos (CA) EEUU 2011 Postesado cable 88
Rehabilitación Grand Haven  Grand Haven (MI) EEUU 2011 Anclajes cable 2
Presa Lago Cammack Burlington (NC) EEUU 2011 Postesado cable 15
Waker Drive Chicago (IL) EEUU 2011 Anclajes cable 20
Depuradora Washintong (DC) EEUU 2011 Postesado barra 12
Vigas Georgia Pacific Burnswick (GA) EEUU 2012 Extradosado cable 3
Estructura Molinos Sublet (IL) EEUU 2012 Postesado cable 12
Edificio en la 52 Toronto Canadá 2012 anclajes cable 6
Puente Marsh Dallas (TX) EEUU 2012 Postesado barra 12
Universidad Toronto Canadá 2012 Anclajes cable 10
Túnel Miami Miami (FL) EEUU 2012 Postesado barra 2
Puente Willamette Portland (OR) EEUU 2012 Anclajes cable 48
Reparación Viga Indianápolis (IN) EEUU 2012 Postesado cable 3
Universidad de Missouri Columbia (MO) EEUU 2012 Postesado cable 4
Hidroeléctrica Willow  Willow Island (WV) EEUU 2012 Anclajes cable 84
Silo América Faimont (WV) EEUU 2013 Postesado cable 10
Muro Rte. 101 Del Norte Co (CA) EEUU 2013 Anclajes cable 20
Puente Champlain Montreal  Canadá 2013 Postesado cable 80
Laguna Summit Laguna Nigel EEUU 2013 Anclajes cable 26
Torre de Control San Francisco (CA) EEUU 2013 Postesado cable 52
Talud White Point Los Ángeles (CA) EEUU 2013 Anclajes cable 14
Zoo Battleship La Porte (TX) EEUU 2013 Anclajes barra 12
Presa Byllesby Canon Falls (MI) EEUU 2013 Postesado cable 8
JC Penny Alabama (AL) EEUU 2013 Anclajes cable 6
Presa Douglas y Cherokee Tennessee (TN) EEUU 2014 Anclajes cable 169
Puente atirantado Downtown Louisville (KY) EEUU 2014 Tirantes cable 264
Puente Schuyler-Heim Long Beach EEUU 2014 Postesado cable 8

 

OTROS PAÍSES

Proyecto Localización País Año Aplicación Cable/barra Nº sensores
Presa Changuinola   Panamá 2011 Anclajes cable 48
Puerto de Tánger   Marruecos 2013 Anclajes cable 14
Puente Chao Phraya   Tailandia 2014 Tirantes cable 24

 

11.- Conclusiones

  • Los sensores DYNA Force nacen como una alternativa cómoda, segura y económica a otros sistemas de monitorización.
  • Pueden ser montados en anclajes de barra o cable.
  • Los sensores permanecen en el interior de la perforación, a salvo de las inclemencias meteorológicas, accidentes, manipulación o vandalismo, lo que le confiere una larga durabilidad en el tiempo.
  • Los sensores DYNA Force no se ven afectados por los cambios de temperatura.
  • Es un sistema sumamente preciso, como se ha podido comprobar en todos los ensayos y proyectos realizados, comparando sus lecturas con los manómetros de los gatos de tesado y otros sistemas paralelos de medición.
  • Nos ofrece la posibilidad de ser instalado tanto en la zona de bulbo como en la libre, pudiendo constatar la distribución de la carga. Asimismo, en los anclajes de cable nos permite colocarlos en diferentes cables y ver si la carga se distribuye uniformemente entre ellos.
  • Los sensores situados a diferentes profundidades en la zona de bulbo en anclajes de investigación, nos dan la posibilidad de verificar la longitud efectiva del bulbo y, de esta forma proceder al rediseño de los bulbos, lo que puede suponer un tremendo ahorro de costes.
  • Los sensores DYNA Force tampoco varían sus resultados en caso de que exista excentricidad de reparto de cargas entre el eje del anclaje y las cabezas, como sucede con las células de carga.
  • Este sistema es de lectura automática y se puede completar con sistemas de lectura remota.

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