Ing. Ricardo Fernández Sotelo
Contenido 1.
2.
Descripción del fenómeno de vibración. vibración. ................................ ................................................. ................................. ................................. ...................5 ..5 1.1.
Definición. ................................. ................................................. ................................. .................................. .................................. ................................. .....................5 .....5
1.2.
Vibración y onda. ................................. ................................................. ................................. .................................. .................................. ...........................5 ..........5
1.3.
Amplitud. ............................... ................................................ .................................. .................................. .................................. ................................. ........................5 ........5
1.4.
Longitud de onda. ............................... ................................................ .................................. .................................. .................................. ...........................5 ..........5
1.5.
Frecuencia. ............................... ................................................ ................................... .................................. ................................. ................................. .....................5 .....5
1.6.
Periodo. ............................... ................................................ ................................. ................................. .................................. .................................. ...........................6 ..........6
Tipos de onda elástica. ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ..............................6 .............6 2.1.
Onda P. ................................. .................................................. ................................. ................................. .................................. ................................. ...........................6 ...........6
Onda S. ................................. .................................................. ................................. ................................. .................................. ................................. ...........................7 ...........7
2.2.
3.
4.
5.
Ondas internas. ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ..............................6 .............6
Ondas superficiales. ............................... ................................................ .................................. .................................. ................................. ........................7 ........7
Ondas Rayleigh. ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. .................................7 ................7
Ondas LOVE. ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ...................7 ..7
Ondas sísmicas de voladura. ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ...................8 ..8 3.1.
Mecanismo de fragmentación. ............................... ................................................ .................................. ................................. ........................8 ........8
3.2.
Efecto de las ondas P y S en la voladura. ................................ ................................................. ................................. ........................8 ........8
Ley de propagación. ................................. ................................................. ................................. ................................. ................................. .................................9 ................9 4.1.
Amplitud vs. Distancia. ................................ ................................................. .................................. ................................. ................................. ...................9 ..9
4.2.
Amplitud vs. Carga. ................................. ................................................. ................................. ................................. ................................. .........................9 ........9
4.3.
Ley de Atenuación. .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. .......................10 ......10
Ecuación de Chapot. ................................. ................................................. ................................. ................................. ................................. .......................10 ......10
Ecuación de Langefors. ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ....................11 ...11
Ecuación de Hendron. ................................. ................................................. ................................. ................................. ................................. ....................11 ...11
Medición de vibración. ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ............................12 ...........12 5.1.
Riesgos de la vibración inducida. ................................. ................................................. ................................. .................................. .................12 12
5.2.
Escala física de vibración. .................................. .................................................. ................................. ................................. ............................12 ............12
Aceleración. Aceleración. ............................... ................................................ ................................... .................................. ................................. ................................. ...................12 ...12
Velocidad................................ ................................................ .................................. .................................. .................................. ................................. ......................12 ......12
Desplazamiento.................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ............................12 ...........12
Principio............................................................................................................................12
5.3.
¿Sismógrafo o sismómetro? ............................... ................................................ .................................. .................................. ............................13 ...........13
Equipo autónomo. ................................. ................................................. ................................. .................................. .................................. .........................13 ........13
Acelerómetros. ................................. ................................................. ................................. ................................. ................................. ...............................13 ..............13
Geófonos. ............................... ................................................ .................................. .................................. .................................. ................................. ......................13 ......13
Sensor triaxial. .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. ...............................13 ..............13
Geófonos dentro del taladro. ................................ ................................................. .................................. .................................. .........................14 ........14
5.4.
6.
7.
Tipos de equipo y accesorios. ................................. .................................................. .................................. ................................. ......................13 ......13
Monitoreo. ................................. ................................................. ................................. .................................. .................................. ................................. ...................14 ...14
Objetivo. ............................... ................................................ ................................. ................................. .................................. .................................. .........................14 ........14
Buenas prácticas................................. ................................................. .................................. ................................. ................................. ............................15 ...........15
Análisis de frecuencia. frecuencia. ................................ ................................................. .................................. ................................. ................................. ............................18 ...........18 6.1.
Definición. ................................. ................................................. ................................. .................................. .................................. ................................. ...................18 ...18
6.2.
Objetivos. ............................... ................................................ .................................. .................................. .................................. ................................. ......................18 ......18
6.3.
Como medir. ................................. ................................................. ................................. .................................. ................................. ................................. .................19 19
ZCF ( Zero Zero Crossed Frecuency Frecuency ) ................................ ................................................. .................................. .................................. .........................19 ........19
FFT (transformada rápida de Furier) Furier) ............................... ................................................ ................................. ................................. .................19 19
6.4.
Frecuencia dominante. ................................ ................................................. .................................. ................................. ................................. .................19 19
6.5.
Filtrado de frecuencias. ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. .................19 19
Regulaciones internacionales. internacionales. ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. .................20 20 7.1.
Criterio de daño. ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ............................20 ...........20
7.2.
Regulaciones internacionales. ................................. ................................................. ................................. ................................. ......................22 ......22
Norma Española – UNE 22-381-93 ................................. ................................................. ................................. .................................. .................23 23
Norma Alemana – DIN-4150 ............................... ................................................ .................................. .................................. ............................24 ...........24
Norma Francesa – D.20.08.85 ............................... ................................................ .................................. .................................. .........................24 ........24
Norma Australiana – OEH ................................. ................................................. ................................. .................................. ...............................25 ..............25
Norma Inglesa – BS 7385 ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. .................25 25
Norma US – USBM RI 8507 ....................................... ........................................................ ................................. ................................. .......................26 ......26
Norma Sueca – SS 460 48 66 1991. ................................ ................................................. ................................. ................................. .................26 26
Norma Suiza – SN 640 315ª ............................................ ............................................................ ................................. ................................. .................27 .27
ISO 4866 – 2010..................................... 2010..................................................... ................................. .................................. .................................. .........................27 ........27
Norma India CMRI 1993 ................................ ................................................. .................................. ................................. ................................. .................28 28
Caso Peruano:............................ Peruano:.............................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ....................28 ...28
8.
Resumen de normas internacionales ...............................................................................29
Técnicas de reducción de vibraciones. .....................................................................................29 8.1.
Mejores prácticas. ...........................................................................................................29
8.2.
Método de la distancia escalada. ....................................................................................30
8.3.
Modelo avanzado de onda elemental. ............................................................................32
1. Descripción del fenómeno de vibración. 1.1.
Definición. Es un fenómeno mecánico por el cual ocurren oscilaciones alrededor de un punto de equilibrio. Las oscilaciones pueden ser periódicas, como el movimiento de un péndulo o al azar como el movimiento de un neumático en un camino no asfaltado.
1.2.
Vibración y onda. En física, una onda es una perturbación u oscilación que viaja a través del espacio y el tiempo, acompañada de una transferencia de energía. Las ondas mecánicas se propagan a través de un medio como agua, gas o tierra y la sustancia de este medio se deforma. Se denomina vibración a la propagación de ondas elásticas produciendo deformaciones y tensiones sobre un medio continuo (o posición de equilibrio). En su forma más sencilla, una vibración se puede considerar como un movimiento repetitivo alrededor de una posición de equilibrio.
1.3. Amplitud. La amplitud se puede definir como "el desplazamiento máximo desde la posición promedio". La amplitud de una onda transversal se mide desde el pico (o valle) hasta el punto medio. Se llama velocidad pico partícula (VPP). La amplitud es la medida de cuánta energía tiene la onda.
1.4.
Longitud de onda. La longitud de onda se puede definir como "la distancia que la onda ha recorrido durante un ciclo completo". La longitud de onda en una onda es la distancia entre dos picos o la distancia entre dos valles
1.5.
Frecuencia. La frecuencia se define como "la cantidad de ciclos completos (ondas completas) en un segundo". Hertz es la unidad de frecuencia (símbolo Hz). 1 Hertz = 1 Ciclo por segundo
1.6.
Periodo. El período de una onda se define como "el tiempo necesario para un ciclo completo” El periodo = 1 ÷ frecuencia.
2. Tipos de onda elástica. Hay dos tipos de ondas sísmicas: las ondas internas (o de cuerpo) y las ondas superficiales. Existen otros modos de propagación de ondas, pero son de importancia relativamente menor para las ondas producidas en la Tierra.
2.1. Ondas internas. Las ondas internas viajan a través del interior. Siguen caminos curvos debido a la variada densidad y composición del interior de la Tierra. Este efecto es similar al de refracción de ondas de luz. Las ondas internas transmiten los temblores preliminares de un terremoto pero poseen poco poder destructivo. Las ondas internas son divididas en dos grupos: ondas primarias (P) y secundarias (S).
Onda P. (Ondas de presión u ondas primarias) viajan sobre una región en compresión Las ondas P son el tipo de onda sísmica más rápida. (2000 - 7000 m / s en roca dura) Una onda P longitudinal tiene la capacidad de moverse a través de rocas sólidas y fluidos, como el agua. Comprimen y tensan la roca por la que se mueve de la misma manera que las ondas de sonido comprimen y expande el aire. Velocidades típicas de ondas P Medio
CP, m/s
Material superfi cial meteorizado
305 a 610
Gravas, guij o, arenas (se ca)
468 a 915
Arena (húmeda)
610 a 1830
Arcilla
915 a 2750
Agua (dependiendo de la To y contenido de sales)
1430 a 1680
Agua de mar
1460 a 1530
Arenisca
1830 a 3970
Shale (roca arcill osa que se parte en laminas)
2750 a 4270
Tiza (Chalk-arcil las)
1830 a 2970
Caliza (Limestone)
2140 a 6100
Sal
4270 a 5190
Granito
4580 a 5800
Rocas metamórficas
3050 a 7020
Onda S. Las ondas S son ondas de corte transversales Una onda S es más lenta que una onda P y las velocidades son típicamente alrededor del 60% de las ondas P Una onda S solo se mueve a través de roca sólida. Esta onda mueve la roca hacia arriba y hacia abajo, o de lado a lado.
2.2. Ondas superficiales. Cuando las ondas internas llegan a la superficie, se generan las ondas L, que se propagan por la superficie de discontinuidad de la interfase de la superficie terrestre (tierra-aire y tierra-agua). Son las causantes de los daños producidos por los sismos en las construcciones. Estas ondas son las que poseen menor velocidad de propagación a comparación de las otras dos
Ondas Rayleigh. Las ondas de Rayleigh, también llamadas ondas de superficie, son ondas superficiales que viajan como ondas con movimientos similares a los de las ondas en la superficie del agua. NOTA, pese a que el movimiento de partículas asociado a poca profundidad es retrógrado, y que la fuerza de restauración en Rayleigh y otras ondas sísmicas son elásticas, las ondas Rayleigh no son gravitatorias como las del agua
Ondas LOVE. Las ondas LOVE son ondas de corte polarizadas horizontalmente (ondas SH), que existen solo en presencia de un medio semi-infinito cubierto por una capa superior de espesor finito. Por lo general, viajan un poco más rápido que las ondas de Rayleigh, alrededor del 90% de la velocidad de la onda S, y tienen la mayor amplitud.
Cada una de las ondas sísmicas presentadas tiene rangos de periodos de vibración característicos (Tabla 1). Tabla 1. Periodos característicos de vibración de ondas sísmicas. Tipo de onda
Periodo (s)
Ondas internas Ondas superficiales Oscilaciones libres
0,01 - 50 10 - 350 350 - 3600
Fuente: Lay & Wallace (1995)
3. Ondas sísmicas de voladura. Las ondas sísmicas producidas por la voladura son las que en mayor parte se encargan del fenómeno de la fragmentación, si bien es cierto, la energía, la presión y la velocidad de detonación del explosivo son factores importantes, las ondas son la forma de transmisión del explosivo hacia la roca de estos parámetros importantes.
3.1. Mecanismo de fragmentación. Durante la detonación de un explosivo dentro del macizo rocoso se distinguen dos fases de acción: Se produce un fuerte impacto debido a la onda de choque. Actúan los gases a gran volumen y elevada temperatura. Las ondas de choque se producen a causa de la detonación del explosivo confinado dentro del taladro. Ésta onda produce un efecto de comprensión que se propaga a través del macizo rocoso circundante como, y al llegar a una espacio vacío (cara libre), ese esfuerzo se refracta como esfuerzo de tracción. Según Bernaola, Castilla y Herrera (2013), “Esta primera onda de choque recorre la roca circundante a velocidades entre 3.000 y 5.000 m/s” y que “la resistencia a
tracción de la roca es del orden de 10 a 100 veces menor que su resistencia a compresión”, por lo tanto, éste esfuerzo de c omprensión y tracción hacen que el
macizo rocoso se fracture alrededor del taladro. Posterior a la onda de choque (la propagación de ondas de comprensión y reflexión en ondas de tracción), los gases producto de la descomposición del explosivo se expanden a altas presión y temperatura. Los gases, hacen que las fisuras se extiendan y desplazan a la roca fragmentada
3.2. Efecto de las ondas P y S en la voladura. Las ondas P y S viajan desde el taladro hasta la cara libre, tensionando la roca, creando nuevas fracturas y fisuras que darán origen a la fragmentación. Luego que las ondas P y S llegan a la cara libre, algunas de ellas son reflejadas e incrementan los efectos de las fracturas y fisuras en la roca, por el efecto de compresión en la roca. Las ondas P y S que viajan en dirección opuesta a la cara libre generan "vibración del suelo" o dañan la pared en la parte posterior de la voladura, estos efectos negativos, son los que debemos mitigar.
4. Ley de propagación. Con la ley de propagación analizaremos el comportamiento de las vibraciones, como se comporta la velocidad pico partícula (amplitud), generados por la vibración con respecto a la distancia y a la cantidad de explosivo detonado, es decir, la carga operante.
4.1. Amplitud vs. Distancia. En lo que respecta a la propagación de la vibración con respecto a la distancia, tienen una relación inversamente proporcional, es decir, a mayor distancia, la amplitud de onda disminuye. La velocidad pico partícula de la vibración (amplitud), disminuye si tomamos su medida a mayor distancia del foco que genera dicha vibración, para nuestro tema, ese foco seria la voladura. Es importante recalcar que la velocidad pico partícula (amplitud) también es afectada por los cambios litológicos por los que atraviese, a mayor cantidad de discontinuidades o cambios de medio, esta se verá reducida drásticamente con respecto a la distancia. Amplitud de Onda (PPV mm/s)
La amplitud disminuye frente a la distancia
Distancia Taladro #1
4.2. Amplitud vs. Carga. La relación que mantienen la velocidad pico partícula (amplitud) y la carga operante es directamente proporcional, es decir, a mayor carga operante mayor velocidad pico partícula, debemos tener claro que esta proporcionalidad se mantendrá, cuando se mantengan las mismas condiciones. Cabe resaltar que la carga operante será la cantidad de explosivo que detona al mismo tiempo, o para el caso práctico de los detonadores eléctricos y pirotécnicos, aquellas cargas que detonan en un intervalo de 8 ms, esto debido a la dispersión que presentan este tipo de detonadores, sin embargo; se recomienda que se le solicite a cada proveedor los tiempos de dispersión para cada tipo de detonadores.
Amplitud de Onda (PPV mm/s)
Carga pequeña Amplitud pequeña
Distancia Taladro #1
Carga mayor Mayor Amplitud
10 kg
Distancia Taladro #1 20 kg
4.3. Ley de Atenuación. La ley de atenuación nos sirve para entender cómo se comporta la propagación de la onda en distintos terrenos, identificando las variables que determinan su velocidad en un determinado lugar, dichos parámetros, como hemos visto, son la distancia, la carga (carga operante) y la amplitud (velocidad pico partícula), estas tres variables estarán correlacionados a partir de una ecuación general con variables que determinan la influencia en la velocidad pico partícula (amplitud). Existe una formula genérica de la cual se han derivado otras ecuaciones más específicas, estas dependiendo del conocimiento y la expertice de cada investigador, dicha ecuación es la siguiente
PPV K * D
Donde : PPV D Q K, Alpha, Beta
*
Q
: Velocidad Pico Partícula (Amplitud de Onda) : Distancia al Sensor / Voladura : Carga por Retardo : Coeficientes del sitio
Ecuación de Chapot. Como concepto previo, para entender la ecuación de Chapot, es la distancia escalada, dicha distancia está relacionada directamente con la cantidad de
carga operante y la distancia misma al foco de la voladura, este factor nos servirá para determinar las variables como k y alfa. La ecuación de Chapot, viene dada por la siguiente formula:
D
PPV=K
√ Q
Donde: PPV : Velocidad Pico Partícula (Amplitud de onda) D : Distancia al Sensor / Voladura Q : Carga por Retardo K : Coeficiente del sitio Alpha : Coeficiente de atenuación Ecuación de Langefors. La ley de atenuación que proporciona amplitud versus distancia y carga también se denomina: Modelo de Distancia Escalada • • • • •
La ecuación de Langefors es:
PPV=K
D
3/2
Q
Donde: PPV : Velocidad Pico Partícula (Amplitud de onda) D : Distancia al Sensor / Voladura Q : Carga por Retardo K : Coeficiente del sitio Alpha : Coeficiente de atenuación Ecuación de Hendron. • • • • •
PPV=K
Donde: PPV D Q K Alpha
• • • • •
D
3
Q
: Velocidad Pico Partícula (Amplitud de onda) : Distancia al Sensor / Voladura : Carga por Retardo : Coeficiente del sitio : Coeficiente de atenuación
5. Medición de vibración. Los objetivos de la medición de la vibración son, aprender por qué medir las vibraciones, la definición del parámetro principal que puede medir, el tipo de equipo a usar y como configurar un sismógrafo. Las vibraciones pueden causar daños graves a las estructuras o pueden molestar o asustar a las personas Las vibraciones subterráneas y superficiales se registran principalmente para el control de estabilidad, ya sea de taludes en superficie y de los hastiales - corona en subterránea (seguridad), también se puede determinar la eficiencia de la voladura a partir del registro sísmico, así como medioambiental, efectos cuando se desarrolla cerca de actividad humana
5.1. Riesgos de la vibración inducida. Los riesgos de la vibración inducida son tan diversos que pueden abarcar desde instalaciones e equipos, hasta la salud de las personas que se encuentr an cerca al foco de la voladura, es por ello que debemos ser muy cuidadosos en los resultados de la voladura y los parámetros de las vibraciones que generamos a partir de la voladura. 5.2. Escala física de vibración. Aceleración. En física, la aceleración es la proporción de cambio de velocidad con el tiempo. En una dimensión, la aceleración es la velocidad a la que algo se acelera o se desacelera. La aceleración se mide en g fuerza Velocidad. En física, la velocidad es la rapidez en una dirección dada. La rapidez describe solo qué tan rápido se mueve un objeto, mientras que la velocidad da tanto la rapidez como la dirección del movimiento del objeto. Para el movimiento en un intervalo de tiempo dado, el desplazamiento dividido entre la longitud del intervalo de tiempo define la velocidad promedio. La velocidad se mide en metros por segundo (m/s) Desplazamiento. En física, desplazamiento es la distancia más corta desde la posición inicial a la posición final de un punto P. El desplazamiento esta medido en metros (m) Principio. Las vibraciones se registran donde la gente las siente o donde podrían dañar las estructuras. Un equipo específico llamado sismógrafo se usa para registrar vibraciones. Cuando se habla de vibración en voladura, la escala más común utilizada es la velocidad
La razón es que velocidad está directamente relacionada con la tensión y, en consecuencia, con el daño La velocidad esta usualmente expresada en mm/s o In/s 5.3. Tipos de equipo y accesorios.
¿Sismógrafo o sismómetro? Sismómetros, son instrumentos que miden los movimientos del suelo, la palabra deriva del griego σεισμός, seismós, sacudida o temblor. Sismógrafo, es otro término griego de seismós y grafo, para escribir o dibujar a menudo se usa para referirse al sismómetro, aunque es más aplicable a los instrumentos más antiguos, en los que se combinaban la medición y el registro del movimiento del suelo. Equipo autónomo. Este tipo de equipo móvil se puede configurar en cualquier lugar. Contiene su propia fuente de energía (batería), un sensor sísmico y de sonido. Algunos modelos tienen una impresora local para imprimir el resultado en el sitio. Las ventajas de estos equipos son, es que es portátil, rápido y fácil de instalar, asequible. Los inconvenientes que presenta este tipo de sismómetros son; la duración limitada de la batería si se instala en un lugar remoto y que no hay sincronización de eventos. Acelerómetros. Un acelerómetro es un dispositivo que mide la aceleración adecuada (g-force) Tiene una gran respuesta de frecuencia (0 Hz -> 10 kHz) Gran rango de fuerza g (de 0.1 a más de 100 g) La fuerza g debe integrarse para obtener la velocidad del suelo. Geófonos. Un geófono es un dispositivo que convierte el movimiento de tierra (desplazamiento) en voltaje. Comprende una masa magnética montada en un muelle que se mueve dentro de una bobina de alambre para generar una señal eléctrica. La respuesta es directamente proporcional a la velocidad del suelo.
Sensor triaxial. Las vibraciones son ondas tridimensionales (3D)
Para entenderlos, los medimos en las 3 direcciones ortogonales del espacio 2 Canales horizontales (L, T) 1 Canal vertical (V) V
T
L
Geófonos dentro del taladro. Es un sensor, triaxial que se usa dentro de un taladro, este tipo de geófonos son muy útiles para medir la forma de onda de vibración el macizo rocoso.
5.4. Monitoreo. El monitoreo de las vibraciones, es el nombre que se la da al registro en campo de las vibraciones producidas por fenómenos naturales o producidos por el ser humano, con la finalidad de conocer sus efectos sobre nuestro ecosistema.
Objetivo. Los objetivos del monitoreo de las vibraciones son los siguientes: Establecer el cumplimiento con las regulaciones federales, estatales y locales Evaluar el rendimiento explosivo. Se han establecido leyes y regulaciones para evitar daños a la propiedad y lesiones a las personas. La disposición de las reglas depende en gran medida de la precisión de la vibración del suelo y de los datos de sobrepresión.
Buenas prácticas. La importancia de saber cómo medir, nos dará como resultado datos confiables que permitirán sacar conclusiones que den respuesta a nuestros objetivos. A continuación enumeraremos algunas buenas prácticas para e l monitoreo de las vibraciones: Lea el manual de instrucciones y familiarícese con el funcionamiento del instrumento Los usuarios son responsables de leer las secciones apropiadas y comprender el funcionamiento correcto del instrumento antes de monitorear una voladura
Una calibración anual del sismógrafo es recomendada
Un sismógrafo no calibrado podría registrar una amplitud mucho mayor y penalizar su trabajo Un sismógrafo no calibrado podría registrar una amplitud mucho menor y, en consecuencia, crear problemas de seguridad o responsabilidad.
El registro del sismógrafo de voladura de un usuario debe incluir:
Nombre del usuario, Fecha, hora, lugar, localización del sismógrafo (de preferencia en coordenadas que nos permitan ubicarlo con precisión en un plano), nombre de la estructura y donde se colocó el sismógrafo en la propiedad relativa a la estructura. Establezca los niveles de activación lo suficientemente bajos como para registrar cada voladura. Registra el historial de la forma de onda de manera completa. Establezca el tiempo de registro del evento suficiente para asegurar la captura de toda la señal de vibración producida por la voladura.
Pre-Trigger 0.2-0.5 s
Duración de Iniciación de la Secuencia
Duración de la “cola”: 1 s
Establezca la frecuencia de muestreo en al menos 1000 muestras por segundo Conocer el tiempo de procesamiento de datos del sismógrafo, algunas unidades tardan hasta 5 minutos en procesar y guardar los datos; si ocurre otra voladura dentro de este tiempo, la segunda voladura puede perderse.
Permita suficiente tiempo para la configuración adecuada del sismógrafo. Muchos errores ocurren cuando los sismógrafos se configuran apresuradamente, generalmente, se deben permitir más de 15 minutos para la configuración desde el momento en que el usuario llega a la ubicación de monitoreo hasta la voladura. Cables seguros, los cables suspendidos o que se mueven libremente al viento u otras fuentes externas, pueden producir falsos registros debido a la activación por microfonía. NOTA IMPORTANTE:
Cuando los sismógrafos se implementan en el campo, ¡El tiempo empleado en desplegar la unidad justifica la grabación de un evento! Con respecto a la colocación del sismógrafo también debemos tener en cuenta las siguientes indicaciones:
El sensor debe colocarse (según la regulación), en el suelo al lado de la estructura y en dirección a la voladura. El sensor debe colocarse a 3,05 metros (10 pies) de la estructura a cuidar o a menos del 10% de la distancia de la voladura, lo que sea menor. El suelo no debe ser alterado ni compactado, el material de relleno suelto, los suelos no consolidados, flores u otros medios inusuales pueden tener una influencia adversa en la precisión del registro. El sensor debe estar casi nivelado, el canal longitudinal debe estar apuntando directamente a la voladura y el rumbo debe ser registrado (en coordenadas), cuando el acceso a una estructura y / o propiedad no esté disponible, el sensor debe colocarse lo más cerca de la voladura en un terreno no perturbado.
El sensor debe estar bien acoplado a tierra para asegurar un registro preciso, en el gráfico adjunto podemos ver el registro típico de un sensor mal conectado a tierra.
Si se espera que la aceleración sea inferior a 1,96 m / s 2 (0,2 g), no es necesario enterrar ni fijar. Si la aceleración excede 1.96 m/s 2 (0.2 g), puede ocurrir un desacoplamiento del sensor. Si se espera que la aceleración sea entre 1,96 m / s 2 (0,2 g) y 9,81 m / s2 (1,0 g), se prefiere el entierro o fijación, usar los clavos o el saco de arena pueden ser aceptables. Si la aceleración excede 9.81 m / s2 (1.0 g), el desacoplamiento del sensor siempre ocurre, se requiere el enterramiento o la fijación firme.
El método de enterramiento preferido es excavar un agujero que no sea menos de tres veces la altura del sensor (ANSI S2.47), compactando firmemente el suelo alrededor y sobre el sensor El método de fijación o acoplamiento al macizo rocoso se logra atornillando, sujetando o adhiriendo el sensor a la superficie de la roca . Método de saco de arena, requiere quitar el césped con una mínima perturbación del suelo y colocar el sensor en el lugar vacío con una bolsa de arena encima. Las bolsas de arena deben ser grandes y ser holgadas con alrededor de 4.55 kilogramos (10 libras) de arena. Cuando se coloca sobre el sensor, el perfil del saco de arena debe ser lo más bajo y ancho posible con una cantidad máxima de contacto firme con el suelo, una combinación de clavos y sacos de arena proporciona una mayor garantía de que se obtiene un buen acoplamiento.
6. Análisis de frecuencia. 6.1. Definición. La frecuencia se define como "la cantidad de ciclos completos (ondas completas) en un segundo". El Sistema Internacional señala que las frecuencias se miden en Hertz (Hz), una unidad que lleva el nombre del físico alemán Heinrich Rudolf Hertz. Un Hz es un suceso que se repite una vez por segundo; por eso, la unidad también se conoce como ciclo por segundo (cps).
6.2. Objetivos. Los objetivos que esperamos cubrir con este capítulo son: Cumplir con las regulaciones que incluyen frecuencia en su tabla de desempeño. Entender los efectos de la frecuencia porque las ondas de baja frecuencia u ondas de alta frecuencia tienen diferentes efectos en las estructuras. Las ondas de frecuencia baja o muy baja pueden dañar seriamente la estructura y las ondas de alta frecuencia son menos propensas a dañar la estructura. Con la baja frecuencia sucede el fenómeno de la resonancia, que de def ine como “el fenómeno que se produce cuando un cuerpo capaz de vibrar es sometido a la acción de una fuerza periódica, cuyo periodo de vibración se acerca al periodo de vibración característico de dicho cuerpo, en el cual, una fuerza relativamente pequeña aplicada de forma repetida hace que la amplitud del sistema oscilante se haga muy grande. En estas circunstancias el cuerpo vibra, aumentando de forma progresiva la amplitud del movimiento tras cada una de las actuaciones sucesivas de la fuerza. En teoría, si se consiguiera que una pequeña fuerza sobre un sistema oscilara a la misma frecuencia que la frecuencia natural del sistema se produciría una oscilación resultante con una amplitud indeterminada. Este efecto puede ser destructivo en algunos materiales rígidos como el vaso que se rompe cuando una soprano canta y alcanza y sostiene la frecuencia de resonancia de éste. Una forma de poner de manifiesto este fenómeno consiste en tomar dos diapasones capaces de emitir un sonido de la misma frecuencia y colocados próximos el uno del otro, cuando hacemos vibrar uno, el otro emite, de manera espontánea, el mismo sonido, debido a que las ondas sonoras generadas por el primero presionan a través del aire al segundo.
6.3. Como medir. ZCF ( Zero Crossed Frecuency ) Este fue el método más usado antes de la aparición de la computadora, se basa en un unos principios básicos, a partir de tener la gráfica de la vibración se selecciona en el arco de la forma de onda de mayor amplitud y se mide el tiempo T 'entre dos Cruces Cero. Es importante que se trace en un gráfico Máximo versus Frecuencia.
FFT (transformada rápida de Furier) La transformada de Fourier, llamada así por Joseph Fourier, es una transformación matemática con muchas aplicaciones en física e ingeniería. Expresa una función matemática del tiempo como función de la frecuencia La Transformada de Fourier es una herramienta de procesamiento de forma de onda importante que se utiliza para descomponer una forma de onda en sus componentes seno y coseno con varias Frecuencias y Amplitud. La representación matemática de esta fórmula es:
6.4. Frecuencia dominante. Como hay dos formas principales de medir frecuencias de una onda de tiempo, hay dos formas principales de estimar la frecuencia dominante, esta son la frecuencia cero cruzada de mayor amplitud y La frecuencia de mayor amplitud de la FFT Mediante el método de frecuencia cero cruzado, La frecuencia dominante de una onda de tiempo podría definirse como la frecuencia cruzada cero de la amplitud más alta, mientras que en el método de la transformada rápida de Furrier La frecuencia dominante de una onda de tiempo podría definirse como La frecuencia de la amplitud más alta de la FFT.
6.5. Filtrado de frecuencias. El filtrado de frecuencia consiste en amplificar o disminuir un cierto rango de frecuencia. La atenuación de las frecuencias altas da como resultado una forma de onda más suave en el dominio especial y la atenuación de las bajas frecuencias mejora los bordes.
El filtrado de frecuencia consiste en amplificar o disminuir un cierto r ango de frecuencia. FFT Espectro de Frecuencia
Forma de Onda
Espectro de Frecuencia Modificado Forma de Onda Filtrada
FFT-1
7. Regulaciones internacionales. 7.1. Criterio de daño. Se han realizado varios intentos para conectar los parámetros de vibración (desplazamiento, velocidad, aceleración y frecuencia) con molestias humanas observadas, perturbaciones de dispositivos sensibles y daños estructurales. Todos estos intentos encontraron que el daño estructural y la estabilidad podrían estar bien correlacionados con la velocidad pico de la partícula (VPP) de las vibraciones del suelo (VPP es una medida de la intensidad de la vibración). El VPP es entonces el criterio más aceptado para evaluar el potencial de daño de la estructura debido a las vibraciones de voladura. Los Hitos internacionales para el criterio de daño, fueron los siguientes: 1957: Langefors & al. primero estudió el índice PPV y definió algunos rangos de daños y seguridad en los EE. UU. 1959: Edward y Norwood utilizaron el índice PPV para realizar estudios similares en Canadá. 1977: Bauer y Calder establecen daños para equipos y estructuras. 1980: US Bureau of Mines propuso sus estándares de 50.8 mm/s (2 in/s).
Luego se decide incluir dentro de estos criterios de daño la frecuencia dominante, debido a que a partir de que la USBM establece el límite de vibración en 50.8 mm/s (2 in / s): Sin importar la frecuencia (no refleja adecuadamente el efecto de interacción dinámica de estructura - suelo) y no se puede evitar numerosas quejas de los habitantes. El USBM realizó estudios intensivos de daños estructurales residenciales, en relación con el desplazamiento y la velocidad, medidos en el rango de frecuencias de 1-100 Hz: 10
RI 8507 (Siskind y otros, 1980): límites de seguridad basados en la frecuencia para el agrietamiento cosmético. El criterio de 50.8 fue reducido por un factor de 3 a 4 en el rango de frecuencia de 4-12 Hz.
C E S / N I , V P P E L B1 A W O L L A X A M
2
0.75
0,1 1
4
10
30
100
BLAST VIBRATION FREQUENCY, HZ
A continuación una relación de las normas internacionales y os parámetros que considera cada uno:
7.2. Regulaciones internacionales. Las regulaciones internacionales por su tipo de daño se clasifican en estándares para la comodidad humana y estándares para prevenir daños cosméticos y estructurales para construcciones. Se han realizado estudios tanto en configuración de superficie como subterránea y los estándares se pueden aplicar a ambos casos, algunas normas se refieren explícitamente a estructuras subterráneas. A continuación una tabla con las fechas de emisión de algunas normas: PAIS
ALEMANIA NUEVA ZELANDA ESTADOS UNIDOS DE AMERICA ESTADOS UNIDOS DE AMERICA PORTUGAL INTERNACIONAL ITALIA SUECIA REYNO UNIDO ESPAÑA FRANCIA BRAZIL ESCOCIA
NOMBRE
DIN4150 NZS 4403 USBM RI8507 OSM 817.67 NP2074 ISO 4866 UNI 9916 SS 460 48 46 BSI 7385 UNE 22-381-93 ARRETÉ DU 22/09/94 CETESB D7.013 PAN50
FECHA DE EMISION
1975* 1976 1980 1983 1983 1990 1991 1991 1993 1993 1994** 1998 2000
* El estándar DIN4150 se actualizó en 1999 y 2001 ** El estándar francés se actualizó en 2010
En este abanico de regulaciones, hay algunas que predominan sobre las otras, a continuación una explicación de porqué algunas regulaciones son más influyentes en Latinoamérica: Influencia política histórica (España). Historia de la minería (Francia). Sólida reputación normativa (Alemania) Industria minera a gran escala (EE. UU.) Cooperación regional (Nueva Zelanda con Australia) Razones políticas (Escocia)
USBM
UK
DIN
FR UNE
AUS
Norma Española – UNE 22-381-93 El estándar Español UNE 22-381-93 titulada “Control de vibraciones producidas por voladuras”. Fue publicada en 1993 por la junta de certificación española AENOR (Asociación Española de Normalización y Certificación), la norma española UNE 22-381-93 se aplica mucho más allá del territorio español (América Latina). Lineas I, II y III corresponde a diferentes tipos de estructuras, clasificados por su resistencia. Las líneas II y III se aplican a la configuración subterranea, dependiendo de su sensibilidad a la vibración (línea III para las estructuras menos resistentes). I
100
II
III
s / m m y 10 t i c o l e V
1 1
10
Frequency Hz
100
Norma Alemana – DIN-4150 La norma alemana DIN4150 proporciona límites muy conservadores con el objetivo de proteger la estructura, incluido el daño cosmético, esta norma tiene tres niveles de control, dependiendo de los tipos de construcción (industrial, residencial o sensible).
Para estructuras sensibles L3: <3mm/s para bajas frecuencias, es decir, menores a 10Hz. De 3mm/s a 8mm/s hasta 50Hz. 10mm/s para frecuencias altas mayor a 50Hz y por encima.
Norma Francesa – D.20.08.85 Decreto del 22 de Setiembre 1994 aplicable tanto para operaciones de superficie y subterráneo, dice “Ninguna operación de voladura debe generar vibraciones superiores a niveles de VPP a 10 mm/s en los tres ejes de los edificios circundantes ”. El debate de cálculo de frecuencia se resuelve mediante una fórmula de ponderación, a lo largo del estándar francés, la función de ponderación de la señal medida es una curva continua definida por los siguientes puntos: Banda de frecuencia (Hz)
Ponderacion de señal
1
5
5
1
30
1
80
3/8
Norma Australiana – OEH La Oficina de Medio Ambiente y Patrimonio (OEH) recomienda que la vibración de voladura debe evaluarse de acuerdo con la "Base técnica de directrices para minimizar la molestia debida a la sobrepresión y la vibración de la tierra". Publicado en 1990. Por el Consejo de Medio Ambiente de Australia y Nueva Zelanda (ANZEC). 100
s / m m y 10 t i c o l e V
1 1
10
100
Frequency Hz
Norma Inglesa – BS 7385
Norma británica (BS) 7385 (especialmente la parte 2 sobre investigación de daños, 1993). La BS 7385 tiene poca relevancia para las estructuras subterráneas y considera dos límites dependiendo de un tipo de edificio o estructura: Línea 1: criterio independiente de la frecuencia de USBM 50,8 mm/s (2 in/s) para edificios comerciales industriales y pesados. Línea 2: límites de seguridad basados en la frecuencia similar a los criterios de OSM para edificios de tipo residencial o comercial ligero. 100
s / m m y 10 t i c o l e V
1 1
10
Frequency Hz
100
Norma US – USBM RI 8507 El estándar de los Estados Unidos establece límites de vibraciones recomendados en la Oficina de Minas de EE. UU. El informe de las Investigaciones N ° 8507: la "curva Z" o "curva Siskind" (1980), que nace a partir del amplio estudio realizado a finales de la década de 1970 por USBM y OSM, estos estudios abarcan varios Estados y tipos de estructuras. Muestra que los tipos de estructura tienen una frecuencia natural variable. La vibración de explosión que coincide con la frecuencia de la estructura de interés puede amplificar la sacudida dentro de la estructura y muestra los límites recomendados para reducir el potencial de daño para las estructura. 100
s / m m y 10 t i c o l e V
1 1
10
100
Frequency Hz
Norma Sueca – SS 460 48 66 1991. El estándar sueco SS 460 48 66 1991 se titula "Niveles suecos de vibración y dirección de choque para vibraciones inducidas por explosiones en edificios“ , publicado en 1991. El estándar Sueco no toma en cuenta la frecuencia Función de VPP vertical de la rigidez del suelo: 18 mm/s para los suelos menos rígidos. 70 mm/s para rocas muy rígidas. 100
s / m m y 10 t i c o l e V
1 1 Frequency Hz
10
Least stiff soils Very stiff soils
100
Norma Suiza – SN 640 315ª El estándar suizo (SN 640 315a) de 1992 es el único que no tiene en cuenta la duración de la vibración (al contrario de las recomendaciones de la norma ISO), este estándar establece que para las frecuencias fuera de este rango, el estudio debe basarse en otros estándares y consideraciones.
ISO 4866 – 2010 La ISO 4866 titulada "Vibración y choque mecánico - Vibración de edificios Pautas para la medición y evaluación de sus efectos en edificios". Creado en 1990 por el Comité de monitoreo de vibraciones mecánicas, golpes y condiciones (TC 108) y actualizado en 1994, 1996 y 2010. El ISO 4866 no presenta ningún límite de control para la vibración, tiene como objetivo establecer prácticas estandarizadas para el monitoreo y procesamiento de señales, para la evaluación del impacto de la vibración en las estructuras. La norma ISO 4866 ofrece valiosas pautas para elaborar estándares regionales o realizar estudios de impacto de vibraciones. ISO 4866 se aplica a todas las estructuras construidas por encima o por debajo del suelo (incluidos los túneles) En cambio, define una clasificación de los edificios en 14 categorías distintas de acuerdo con su tipología, cimentación, tipo de terreno, importancia del edificio, etc, por ejemplo: Tipo de cimentación : Clase A: pilotes de hormigón armado, metálicos o de madera unidos, muro de gravedad o zapatas de hormigón armado. Clase B: Pilotes con encepados, muros con zapata corrida, zapatas de hormigón en masa y pilotes de madera. Clase C: muros de contención ligeros, grandes piedras o sin cimentación. Tipo de terreno:
Tipo a: rocas sin fisurar,o ligeramente fisuradas y arenas cementadas. Tipo b: terrenos compactos y macizados. Tipo c: terrenos poco compactos y macizados. Tipo d: terrenos con pendiente y con planos potenciales de deslizamiento.
Tipo e: suelos granulares, grava, suelos no cohesivos y arenas cohesivas saturadas. Tipo f: rellenos.
Norma India CMRI 1993 Estándares indios (1973) basados en el tipo de materiales de construcción y las normas de vibración de CMRI (Central Mining Research Institute) (1993) según el tipo de edificios.
Caso Peruano: El único texto aplicable no proporciona ningún nivel preciso de estándares: Texto Único Ordenado de la Ley General de Minería (aprobado por el Decreto Supremo No. 014-92-EM "Reglamento para la Protección Ambiental en las Actividades Mineras Metalúrgicas"), Título 15: Artículo 223.-c. "Todas las minas que usen explosivos cerca del área habitada deben mantener el impacto del ruido, el polvo y la vibración dentro de los niveles establecidos por la autoridad competente" Este artículo ha sido agregado a la Ley de Minería por Ley General del Medio Ambiente (Ley General del Ambiente), N ° 28611 publicado el 15 de octubre de 2005. La norma española UNE 22-381-93 se aplica generalmente para aplicaciones de superficie y subterránea
Resumen de normas internacionales 100 OSM 30 CFR 817.67
Pensylvania c25 §77.463
BS 7385
UNE (L2) s / m m y t i c o l e V
UNE (L3)
10
DIN (L2)
DIN (L3)
FR (weighted)
AS (UG)
ANZEC
1 1
10
100
Frequency Hz
8. Técnicas de reducción de vibraciones. Hay 3 formas principales de controlar la vibración en voladura de minería subterránea y estas son: Seguir las mejores prácticas. Use el modelo estándar de distancia escalada. Utilice el modelo avanzado de onda elemental.
8.1. Mejores prácticas.
SIEMPRE use caras libres para los primeros taladros; dimensionar de manera
adecuada el o los taladros de alivio, para albergar el volumen desplazado por el arranque con su volumen esponjado.. SIEMPRE mantenga un retraso mínimo entre taladros de 8 ms, para evitar la superposición de cargas. NUNCA use carga completamente confinada, distribuirá la energía en toda las direcciones de manera equitativa y generara daño en el macizo rocoso. NUNCA dispare más de un taladro al mismo tiempo, con la finalidad de reducir la carga operante que detona por vez.
8.2. Método de distancia escalada. Esta es la técnica más utilizada en las operaciones mineras y esta basado en la ecuación de la ley de atenuación.
El fundamento del método de distancia escalada se basa en los conceptos que podemos deducir de la fórmula de la ley de atenuación: Más explosivo al mismo tiempo, dan como resultado más Vibraciones; por lo tanto; menos explosivo al mismo tiempo generan menos vibraciones y que a mayor distancia entre la voladura y el punto crítico se registrarán menos vibración; en consecuencia; menor distancia entre la voladura y el punto crítico se medirá más vibraciones El primer paso para hacer uso de este método es necesario saber cómo medir los datos para calcular K y alfa, por lo tanto debemos considerar un taladro para varias estructuras críticas, seleccione al menos 3 ubicaciones para el evento, lo mejor es tener diferentes ubicaciones y distancias. Considere la ubicación #1 y dispare la voladura, poniendo los sismógrafos en los puntos críticos de control; Registre para cada ubicación crítica el VPP, V1 , Distancia, D1 y Carga por retardo, Q1. Considere la ubicación #2 y dispare la voladura, poniendo los sismógrafos en los puntos críticos de control; Registre para cada ubicación crítica el VPP, V2 , Distancia, D2 y Carga por retardo, Q2. Considere la ubicación #3 y dispare la voladura, poniendo los sismógrafos en los puntos críticos de control; Registre para cada ubicación crítica el VPP, V3 , Distancia, D3 y Carga por retardo, Q3.
D1 D2 V3
Q1 D3
Q2
V2
V1
Q3
Trace 3 puntos (uno por voladura) en un gráfico log/log y luego dibuja una línea que pase a la mitad de los datos: D1, Q1, V1 (D1/√Q1, V1) D2, Q2, V2 (D2/√Q2, V2) D3, Q3, V3 (D3/√Q3, V3)
Grafica Log / Log Distancia Escalada
K es donde la línea intercepta al eje vertical y Alfa es la pendiente de la línea, es decir la tangente del ángulo que forma la recta con el eje horizontal
K
Cuando vemos un patrón de línea recta, debemos modelar los datos con una ecuación lineal, esto nos permitirá hacer predicciones y usar nuestros datos. Alfa representa cuan rápido disminuye la amplitud máxima de las vibraciones con respecto a la distancia; el valor promedio estándar para alfa es -1.8. K representa que tan eficiente es la explosión para una configuración dada; K varía desde 100 hasta 5000 o más, si el valor de k es menor a 1000, significa una buena eficiencia de la explosión; sin embargo si el valor de k es mayor a 2500; significa una mala eficiencia de la explosión. El modelo de distancia escalada podría variar en diferentes orientaciones, dependiendo de la Geología; Topografía; Saturación de Agua, etc.
8.3. Modelo avanzado de onda elemental. La más avanzada técnica, pero requiere detonadores electrónicos; Basado en la interferencia de ondas, el principio similar a las ondas que interfieren en el agua. El principio de este modelo avanzado, tiene como concepto principal que cada detonación genera una onda elemental típica, que dependiendo del tiempo de retardo que se coloque entre las detonaciones, genera la disminución de la velocidad pico partícula de la onda generada por la vibración; esto dependerá de la interferencia que generen estas ondas en el punto crítico, es decir, si se intercepta en ese punto un valle con una cresta, la onda se reducirá a la resultante de la suma de ambas ondas.
