Avances tecnológicos en instrumentación de pilotes

El monitoreo durante el hincado de pilotes (Pile Driving Monitoring – PDM) y las pruebas de carga dinámicas (Pile Dynamic Testing – PDT) son técnicas ampliamente utilizadas onshore y offshore para confirmar la integridad estructural de los pilotes durante su hincado y garantizar una instalación segura y económica. Con los resultados del monitoreo es posible evaluar el comportamiento del pilote durante el hincado y confirmar las hipótesis de diseño. Además, garantiza que la instalación se realice conforme a los criterios establecidos y provee elementos claves para el cálculo de la resistencia a la penetración del terreno y una estimación de la eficiencia del sistema.

Para la realización del monitoreo durante el hincado, transductores de deformación y acelerómetros deben ser previamente instalados en la parte superior del pilote. El impacto del martillo genera una onda de compresión que viaja a través del pilote mobilizando la fricción lateral y la capacidad de base. Una vez que alcanza la base del pilote, se genera una onda reflejada que viaja en dirección contraria hacia la cabeza del mismo.

Las ondas incidentes y reflejadas son registradas por los sensores instalados en la cabeza del pilote, convirtiendo las deformaciones en esfuerzos y fuerzas en el pilote, y las aceleraciones son integradas para obtener velocidades y desplazamientos. La onda que viaja hacia abajo (incidente) y aquella que viaja hacia arriba (reflejada) pueden ser individualizadas de la onda total medida al nivel de los sensores. La capacidad portante última o la resistencia del terreno a la penetración del pilote pueden ser estimadas por medio de un proceso de inversión de la onda reflejada medida comparada con la incidente. Éste procedimiento es conocido como “Signal Matching”. Las medidas de fuerza y velocidad, integradas en el tiempo, son también utilizadas para calcular la energía efectiva transmitida al pilote, dando indicación de la eficiencia del sistema de hincado.

An Example of Signal Matching

El desarrollo de la instrumentación para el monitoreo de la instalación de pilotes de cimentación para determinar su capacidad portante inició en los años 50. La instrumentación hoy existente ofrece muchas ventajas pero también tiene ciertas limitaciones.

Al sustituir la tradicional prueba de carga estática con ensayos de carga dinámicos o instrumentación durante el hincado para determinar la capacidad axial de pilotes, ha sido posible reducir significativamente la complejidad, el costo y el tiempo de la ejecución de la prueba. Esto es particularmente ventajoso para el control y verificación de pilotes offshore.

Sin embargo, el monitoreo estándar durante la instalación no permite realizar mediciones precisas de la distribución de la resistencia a lo largo del pilote, sino una estima aproximada. Los esfuerzos generales a lo largo del pilote durante la instalación son calculados basados en las mediciones realizadas en la cabeza del pilote e hipotizando el comportamiento dinámico del terreno. La distribución de estos esfuerzos a lo largo del pilote es necesaria para determinar la fatiga acumulada en el acero durante el hincado y/o controlar y reducir el riesgo de daño en la punta del pilote.

Los recientes avances tecnológicos en sensores de fibra óptica, y particularmente en las frecuencias de acquisición disponibles, permiten su uso satisfactorio en la instrumentación para el monitoreo durante el hincado, abriendo los horizontes de la industria. Desde el inicio del 2018, G-Octopus ha realizado instrumentaciones utilizando esta tecnología, ya sea a lo largo del pilote (en combinación con instrumentación tradicional a la cabeza del pilote), o como reemplazo parcial de la instrumentación tradicional en la cabeza del pilote.

Los beneficios del uso de ésta tecnología son muchos en el control de pilotes. En comparación con la instrumentación tradicional, el impacto en la estructura del pilote (en especial para los pilotes hincados) is relativamente baja dadas las dimensiones y el peso de los sensores. Éstos no requieren agujeros de fijación o soldaduras, los cuales son considerados críticos para la integridad estructural de pilotes de cimentación en campos eólicos. Además, los sensores no requieren el uso de ángulos de protección, los cuales han causado en el pasado accidentes durante su instalación o problemáticas de adquisición de datos. El uso de transductores de deformación de fibra óptica (en combinación con acelerómetros) permite el monitoreo durante el hincado, pero también los mismos sensores pueden ser utilizados más adelante para el monitoreo de la integridad estructural del pilote a largo términe.

Los ensayos realizados con esta tecnología han arrojado mediciones de altísima resolución y un incremento en la tasa de recuperación de los sensores de fibra óptica instalados a lo largo del pilote de casi un 100%, en comparación con el 20% – 30% de los sensores tradicionales (incluso menor a medio o largo términe). Su uso a lo largo del pilote permite medir los esfuerzos durante el hincado a lo largo de toda su longitud, lo cual es particularmente importante cuando existe el riesgo de daños en la base del pilote y para determinar los esfuerzos de fatiga acumulados en el acero durante la instalación. Debido a su alta tasa de recuperación los sensores pueden ser reutilizados para monitorear las deformaciones y los esfuerzos durante la vida útil del pilote, satisfaciendo la creciente necesidad de nuevas soluciones técnicas en el mercado de los campos eólicos offshore.

En ambientes marinos los sensores de fibra óptica ofrecen una mayor durabilidad, siendo menos frágiles respecto a los tradicionales sensores de resistivos pero con un costo similar a éstos últimos. La sensitividad al agua y el fenómeno de oxidación son reducidos debido a la ausencia de corrientes. La resistencia a los golpes es también mayor y la pérdida de información es reducida en casos de atenuación de señal. La eficacia y eficiencia de los sensores de fibra óptica no está limitado al monitoreio de pilotes durante el hincado, sino también en el monitoreo de estructuras a lo largo de su vida útil.

 

Conclusiones

La alta calidad de las mediciones y la posibilidad de incrementar los puntos de medición dado el tamaño de los sensores puede reducir considerablemente las incertudumbres al momento de la interpretación de datos. Sin embargo, la interpretación debe ser realizada con conocimientos geotécnicos y estructurales, así como también competencias en modelación numérica para comprender la propagación de la onda y su sobreposición durante la instalación del pilote.

Pocas han sido las limitaciones encontradas en el uso de transductores de deformación de fibra óptica. En realidad, la compensación de temperatura necesaria para el monitoreo a largo plazo de estructuras puede ser proporcionada por el sensor de fibra óptica.

Los sensores de fibra óptica instalados a lo largo del pilote, sobre y por debajo del nivel del terreno, son actualmente utilizados para verificar las hipótesis de diseño como la interacción pilote/terreno y el comportamiento dinámico del terreno durante el hincado del pilote. También pueden ser usados para estudiar los esfuerzos inducidos y los cambios de geometría del pilote durante el proceso de instalación, lo que permite identificar daños en la cimentación debido a las solicitaciones cíclicas.