ES2322372T3 - Sistema para supervisar variaciones de nivel en un suelo sometido a agentes erosivos y sedimentarios y procedimiento de supervision. - Google Patents
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Abstract
Sistema para supervisar las variaciones de nivel de por lo menos una zona inferior (20) de un suelo sometido a agentes erosivos y sedimentarios, que comprende por lo menos un elemento de supervisión (15) fijado a dicha parte inferior (20), comprendiendo dicho por lo menos un elemento de supervisión (15) unos medios sensores (120) para detectar una respuesta (|ux|) de dicho por lo menos un elemento de supervisión (15) con respecto a una tensión (fs), siendo posible por medio de dicha tensión (f s) determinar vibraciones, originando dichas vibraciones desplazamientos (|u x|) de por lo menos una parte de dicho por lo menos un elemento de supervisión, y siendo dicha respuesta una función de dichos desplazamientos (|ux|), caracterizado porque están previstos unos medios (150) para analizar dicha respuesta con respecto a dicha tensión (fs), para identificar las frecuencias características (*i*) de dicho elemento de supervisión (15) y para correlacionar dichas frecuencias características (*i*) con el descenso (*lp) de dicha zona inferior (20).
Description
Sistema para supervisar variaciones de nivel en
un suelo sometido a agentes erosivos y sedimentarios y procedimiento
de supervisión.
La presente invención se refiere a un sistema
para supervisar las variaciones de nivel de por lo menos una zona
inferior de un suelo sometido a agentes erosivos y sedimentarios,
que comprende un elemento de supervisión afianzado a dicha parte
inferior, comprendiendo dicho elemento de supervisión unos medios
detectores para detectar la respuesta de dicho elemento de
supervisión a una tensión.
En particular, el objetivo de la presente
invención es la supervisión de la estabilidad de elementos de apoyo,
particularmente elementos de apoyo verticales, tales como los
pilares, los postes o los pilares de estructuras hidráulicas tales
como los puentes, que están sometidos a agentes erosivos y
sedimentarios, tales como el flujo de agua de un río. Aunque la
presente invención hace referencia a los pilares que sostienen
puentes, la presente invención es aplicable a cualquier campo en el
que exista un elemento de apoyo, en particular un elemento de apoyo
vertical que es operativo en condiciones similares a las condiciones
en que dichos pilares de puentes son operativos, por ejemplo, un
elemento operativo en un suelo que es propenso a derrumbarse, o a
la supervisión de la estabilidad de los enrejados sometidos a la
acción del viento. El sistema y el procedimiento y el elemento de
supervisión relacionados según la presente invención son aplicables
asimismo a la supervisión de operaciones en el nivel del suelo, ya
sea este el lecho de un río o bien un suelo expuesto al aire, que
no están conectadas con un elemento de apoyo particular erguido
sobre dicho suelo.
En la figura 1, se representa esquemáticamente
un elemento de apoyo vertical, designándose mediante el número de
referencia 10 un elemento de apoyo vertical insertado en el suelo,
tal como el lecho de un río, cuyo fondo se designa mediante el
número de referencia 20. Haciendo referencia a la figura 1, el tramo
subterráneo del pilar 10 situado dentro del fondo 20 se designa
mediante la referencia L', mientras que el tramo libre del pilar 10
situado por encima del fondo 20 se designa mediante la referencia
l'. Como consecuencia de una crecida, el fondo 20 desde donde
emerge el pilar 10 (que puede ser, por ejemplo, un pilar que
sostiene un puente) puede erosionarse por efecto de la turbulencia
y de la distorsión de la corriente, inducida por el propio pilar,
que se produce en su entorno, provocando la socavación de los
cimientos. A continuación, se produce una consiguiente pérdida de
estabilidad del pilar de soporte, que implica una pérdida de
estabilidad del propio puente. El efecto de este fenómeno de
socavación puede representarse con la reducción del tramo
subterráneo L', correspondiente a un hundimiento \Deltal_{p} del
fondo 20, con el consiguiente incremento del tramo libre l'.
Se conocen sistemas de técnica anterior para
supervisar la estabilidad de elementos de apoyo vertical, en los
que se utilizan elementos sensores externos a los elementos
supervisados, situados en condiciones similares con respecto al
hundimiento del fondo sobre el cual se levanta el elemento de
soporte.
En el documento EP 0 459 749-B1,
se describe un sistema de supervisión que comprende un sensor de
brazo oscilante que se coloca sobre el pilar de un dique. Este
sistema de supervisión, utilizado en particular para supervisar los
lechos fluviales, prevé la presencia de un sensor que relaciona la
señal de alarma con el estado del lecho fluvial supervisado. Este
sensor se compone de un brazo oscilante que comprende una parte
terminal que contiene un interruptor de mercurio omnidireccional.
Este sensor se entierra en el río y presenta unas dimensiones tales
que, en caso de quedar al descubierto debido a la erosión, un flujo
de agua suficiente le permite generar una señal de alarma como
respuesta a la correspondiente erosión del lecho.
Por consiguiente, los elementos de supervisión
de técnica anterior conocidos, tales como el anterior, funcionan
para supervisar las estructuras hidráulicas, pero las mediciones
obtenidas con estos elementos de supervisión son del tipo
"on/off", ya que dependen de la modalidad de funcionamiento de
los sensores utilizados, que a su vez depende de las variaciones de
la corriente. Los sensores descritos en el documento
EP 0 459 749-B1 se activan debido a una corriente
anómala y generan mediciones discretas, limitadas a los períodos en
los que tiene lugar la condición de corriente anómala.
El documento
JP-A-2001 108 491 da a conocer un
sistema de supervisión similar.
Por consiguiente, los sistemas que emplean
sensores de este tipo no permiten obtener mediciones con continuidad
y no permiten realizar un análisis "a voluntad" de la
situación de las estructuras hidráulicas supervisadas.
El objetivo de la presente invención es resolver
el problema especificado anteriormente de una manera simple y
eficaz, ofreciendo un sistema de supervisión que es capaz de
funcionar a voluntad y con continuidad.
Para alcanzar dicho objetivo, la presente
invención se refiere a un sistema para supervisar las variaciones
del nivel de un suelo sometido a agentes erosivos y sedimentarios
que presentan las características indicadas en la reivindicación
adjunta 1. Las formas de realización preferidas de dicho sistema se
describen en las siguientes reivindicaciones subordinadas. La
presente invención se refiere asimismo a un procedimiento de
supervisión que aprovecha las características del sistema de
supervisión descrito.
\newpage
A continuación, se describirá la presente
invención haciendo referencia a los dibujos adjuntos, que se
proporcionan solo título de ejemplo no limitativo y en los que:
- la figura 1 es tal como se ha descrito;
- la figura 2 es una representación esquemática
de un elemento de supervisión según la presente invención,
dispuesto en su posición de trabajo;
- las figuras 3a y 3b representan
esquemáticamente detalles estructurales del elemento de supervisión
de la figura 2;
- la figura 4 representa el sistema de
supervisión según la presente invención en una configuración de
utilización;
- la figura 5 representa una arquitectura global
del sistema de supervisión;
- la figura 6 representa un diagrama de
frecuencias del elemento de supervisión de la figura 2;
- la figura 7 representa un diagrama que ilustra
los desplazamientos del elemento de supervisión de la figura 2;
- la figura 8 es un diagrama que ilustra la
fuerza del fluido que actúa sobre el elemento de supervisión de la
figura 2;
- la figura 9 es un diagrama adicional que
ilustra la fuerza del fluido que actúa sobre el elemento de
supervisión de la figura 2;
- las figuras 10a y 10b representan
esquemáticamente diagramas de bloques que ilustran el funcionamiento
de un sistema de supervisión que comprende el elemento de
supervisión de la figura 2;
- las figuras 11a y 11b representan detalles
estructurales adicionales del elemento de supervisión de la figura
2; y
- la figura 12 representa un detalle de una
forma de realización del elemento de supervisión de la figura
2.
El sistema de supervisión descrito en la
presente memoria permite medir la variación del nivel (en
particular, el descenso) de las partes o los elementos inferiores
de un suelo que está sometido a agentes erosivos y sedimentarios,
tales como la corriente de un río o del viento. Esta medición se
realiza por medio de un elemento de supervisión (también denominado
sonda) enterrado en el fondo. El sistema de supervisión descrito en
la presente memoria se refiere en particular a los fenómenos de
supervisión y señalización que inciden negativamente en la
estabilidad de los elementos de apoyo verticales, tales como los
postes o los pilares, que sostienen estructuras hidráulicas tales
como los puentes. Dicho elemento de apoyo vertical se supervisa para
detectar la presencia de condiciones anómalas que determinan que
dicho elemento de apoyo adopte posiciones inestables, lo cual podría
crear problemas en la solidez de las estructuras hidráulicas
sostenidas.
El elemento de supervisión propuesto se utiliza,
en una forma de realización preferida, para medir el tamaño de un
fenómeno de hundimiento localizado en el pie de los pilares de una
construcción de un río, como consecuencia, por ejemplo, de una
condición de corriente extraordinaria.
El elemento de supervisión propuesto, que
constituye el núcleo operativo de un sistema para supervisar la
variación del nivel de un suelo sometido a agentes erosivos y
sedimentarios, se describe a continuación con referencia a las
figuras 3a y 3b. El elemento de supervisión 15, o sonda, comprende
una barra de sección 30 provista por su extremo libre de una brida
40 y una placa de carga 45, donde se sujeta un cárter de protección
50 que contiene y protege un agitador 60, que en una versión
preferida es un agitador inercial, aunque también puede ser un
percutor electromagnético. Dicho cárter protector 50 también
comprende un LED indicador 70 con el cual está asociado por su
parte superior. Por debajo de la brida 40, existen unos
acelerómetros 120 situados sobre la barra de sección 30 (en
particular, dos acelerómetros dispuestos preferentemente a 90º uno
del otro), como los representados en la figura 3a. Como
alternativa, los acelerómetros 120 pueden instalarse dentro del
cárter sellado 50 situado en la parte superior de la barra de
sección 30.
La figura 4 representa parcialmente un sistema
de supervisión 500 que comprende el elemento de supervisión 15 en
una configuración operativa. Puede observarse que el elemento de
supervisión 15 está conectado por medio de unos cables a un módulo
transceptor inalámbrico 230, que se comunica con un centro de
control 150 (visible en la figura 5). Los valores medidos por los
acelerómetros 120 se envían a través del módulo transceptor 230
(que utiliza, por ejemplo, la tecnología UMTS, GPRS o GSM) a una
segunda unidad transceptora instalada en el centro de control
remoto 150. Las mediciones realizadas por los acelerómetros 120
pueden llegar a la unidad 150 a través de Internet,
también.
también.
La figura 5 representa la arquitectura del
sistema 500 que comprende, como se ha indicado anteriormente, el
centro de control remoto 150 compartido por la totalidad o una parte
de la pluralidad de elementos de supervisión 15 instalados y
situados en diferentes posiciones geográficas, que configuran de ese
modo una red de control dirigida por una o más unidades centrales,
tales como el centro de control remoto 150, interconectadas
directamente con los elementos de supervisión 15 por un lado y, por
el otro, con los centros de control 310 correspondientes a los
organismos responsables de las tareas relacionadas con la seguridad
(por ejemplo, protección civil).
La figura 4 también representa un accionador 100
que está instalado en un punto o coordenada vertical D de la barra
de sección 30 sobre el pilar 10. Dicho accionador 100 comprende un
vástago 110 asociado a un sensor de presión 130 y una válvula
limitadora de presión 131, cuyo funcionamiento se describirá en
mayor detalle más adelante con referencia a la figura 8. Por medio
del vástago 110, que se extrae para permitir el agarre de la barra
de sección 30, el accionador 100 provee un soporte frontal a la
barra de sección por el punto D para impedir que ésta se desplace
hacia el pilar 10 bajo la acción hidrodinámica del flujo.
La figura 2 representa la ubicación del elemento
de supervisión 15 en relación con el pilar 10 en términos de
distancia. La barra de sección 30 se inserta en el suelo 20 a una
distancia \delta del pilar 10 y se mantiene bajo tierra, por
ejemplo, por medio de un dispositivo de percusión hidráulica o por
medio de perforación guiada. Se deja libre un tramo l que
depende de la altura máxima de la superficie libre del agua H
esperada en ese punto del curso del agua, preferentemente para
mantener el elemento de supervisión 15 por encima del agua, y
permitir de ese modo un fácil acceso al agitador 60 para realizar
operaciones de mantenimiento (tales como la comprobación de las
soldaduras y las conexiones eléctricas) e impedir infiltraciones de
agua, así como impedir la colisión del agitador con cuerpos sólidos
pesados arrastrados por la crecida.
En la figura 2, la referencia f_{s} designa
una fuerza (aleatoria, por ejemplo) que actúa sobre el elemento de
supervisión 15 y que se origina en el agitador 60, mientras que
F_{t} designa la fuerza resultante debida a la acción
hidrodinámica, que actúa sobre el elemento de supervisión 15. El
punto D donde está situado el accionador 100 sobre la barra de
sección 30 se expresa como la distancia desde el fondo 20.
El elemento de supervisión 15 mide la depresión
\Deltal del nivel del fondo 20, evaluando las frecuencias
habituales \lambda_{i} del sistema material constituido por el
elemento de supervisión 15 sometido a tensión por el agitador 60 o
el
percutor.
percutor.
El agitador 60 funciona para someter la barra de
sección 30 a una tensión con una fuerza que, por ejemplo, puede ser
aleatoria y que tiene un espectro asignado que permite obtener por
medio de las mediciones realizadas por los acelerómetros 120 cierto
número de frecuencias resonantes del elemento de supervisión 15 para
poder deducir, a partir de dichas frecuencias resonantes, las
frecuencias naturales (del elemento de supervisión 15) y, a partir
de estas, la depresión \Deltal del fondo 20 del elemento de
supervisión 15, que será ligeramente inferior al hundimiento
\Deltal_{p} del pilar 10, como se representa por ejemplo en la
figura 2, donde la línea discontinua representa el fondo 20
socavado por el flujo del agua. Los acelerómetros 120 forman el
núcleo del elemento de supervisión 15.
Como es bien conocido a partir de la teoría de
Eulero-Bernouili, las frecuencias naturales
\lambda_{i} de una viga, que puede asimilarse al elemento de
supervisión 15, son inversamente proporcionales al cuadrado del
tramo libre l de la barra de sección 30, tal como se estipula en la
ley de Euler-Bernouilli:
en la
que:
- \rho representa la densidad de la barra de
sección 30,
- E representa el coeficiente de elasticidad de
la barra de sección 30,
- I_{y} representa el momento de inercia de la
barra de sección 30, y
- A representa la superficie de la sección axial
de la barra de sección 30.
\vskip1.000000\baselineskip
Por otra parte, \beta_{i} representa unas
constantes, presentes en la ecuación (1), que dependen de las
condiciones de restricción. En el caso de un elemento en condiciones
de restricción nula, se aplican los valores representados en la
tabla siguiente:
\newpage
Las frecuencias naturales \lambda_{i}
dependen pues de las características mecánicas del cuerpo (E y
\rho), de su forma (A, l e I_{y}) y de sus condiciones
de contorno (restricción). El sistema de supervisión descrito en la
presente memoria permite, por lo tanto, calcular continuamente la
depresión \Deltal midiendo experimentalmente dichas frecuencias
naturales \lambda_{i}, puesto que a partir de la medición
realizada por los acelerómetros 120 se deducen las frecuencias
resonantes (designadas por \lambda*_{i} en el diagrama de
adquisición representado en la figura 7) y, a partir de estas, las
frecuencias naturales \lambda_{i}, que de ese modo permiten
determinar indirectamente el tramo libre de la barra de sección 30
y, por consiguiente, el nivel del fondo 20, como se indica en la
ecuación (2):
El tramo subterráneo L de la barra de sección 30
(denominado también parte piloteada) afianza el elemento de
supervisión 15 al fondo 20. La reducción de dicho tramo subterráneo
L (por el aumento de material ocasionado por la erosión) determina
el incremento del tramo libre l de la barra de sección 30 y, en
consecuencia, el cambio del valor de las frecuencias naturales del
sistema. Los valores \lambda_{i} de las frecuencias naturales
se convierten en los nuevos valores \overline{\lambda _{i}} y
experimentan una reducción. El sistema de supervisión está
configurado para interpretar dicho cambio del comportamiento
vibratorio del elemento de supervisión 15 como un cambio del nivel
del fondo, en el que el tramo libre l se convierte en un nuevo tramo
libre \upbar{l}, en el que el tramo libre se expresa mediante la
ecuación
siguiente:
siguiente:
Partiendo de las ecuaciones (2) y (3), es
posible calcular entonces el valor de la depresión \Deltal del
fondo 20 que es igual a la diferencia del nuevo tramo \upbar{l}
con respecto al tramo libre l, es decir, \Deltal = \upbar{l} -
l.
Las ecuaciones (2) y (3) se evalúan enviando los
valores medidos por los acelerómetros 120, tal como se ha indicado,
al módulo transceptor 230 y de ahí al centro de control remoto 150.
A continuación, los datos se introducen en un ordenador en el que
se implementan los modelos vibratorios del elemento de supervisión
15 y de la restricción. Los resultados se resumen y representan
mediante trazos en los monitores, que representan el perfil a lo
largo del tiempo de las frecuencias naturales y, por consiguiente,
del nivel del fondo 20. Una vez que se sobrepasa un cierto límite
del valor de depresión \Deltal, el sistema de supervisión (es
decir, un operador) comunica que la estabilidad de la estructura
está en peligro debido a que los cimientos del pilar 10 están
experimentando socavación en el
fondo 20.
fondo 20.
La base estructural del modelo aplicado en el
centro de control 150 es el estudio del comportamiento flexural del
elemento de supervisión 15 con la teoría de
Euler-Bernouilli clásica (viga homogénea y
prismática), basada en las hipótesis de que tanto la deformación
por cizalladura y la inercia a la rotación son insignificantes si
se comparan con la deformación por flexión y la inercia a la
traslación. La restricción del elemento de supervisión 15 se
modeliza tomando en consideración el módulo de elasticidad E_{t}
del fondo 20 y del tramo subterráneo L de la barra de sección 30.
La presencia física del agitador 60 se modeliza introduciendo una
condición dinámica en la parte
superior.
superior.
El modelo adopta la forma del sistema de
ecuaciones siguiente:
en el que D_{y}(z,t)
representa la resistencia en la dirección y (que por término medio
es
nula).
\newpage
Las condiciones de contorno impuestas a lo largo
de la dirección y son las siguientes:
Se puede escribir igualmente el sistema de
ecuaciones para la dirección x, en el que \varphi =
(\rho_{t}/\rho) y c es la función de la forma de la
sección axial de la barra de sección 30 con respecto a la influencia
de la masa de fluido añadida alrededor de la misma barra de sección
30.
A continuación, se proporcionan las definiciones
de los parámetros presentes en el sistema de ecuaciones (4)
anterior y en el sistema de las condiciones del entorno (5):
- k_{t} = k_{t} (E_{t}, D, z) es la
constante elástica del suelo 20,
- \rho_{t} es la densidad del fluido;
- \rho es la densidad de la barra de sección
30;
- E es el módulo de elasticidad de la barra de
sección 30;
- f_{s}(t) es la fuerza del agitador
60;
- I_{y} es el momento de inercia de la barra
de sección 30;
- H es la altura de la superficie libre de la
corriente;
- A es la superficie de la sección axial de la
barra de sección 30;
- U_{\infty} es la velocidad de la corriente
en el infinito;
- C_{d} es el coeficiente de difusión;
- Re es el número de Reynolds;
- De = 2R es el diámetro de la barra de sección
30;
- m* es la masa del agitador 60 y de la
superestructura;
- u_{y}(z, t) es el desplazamiento
longitudinal de la sección axial de la barra de sección 30;
- T_{x,y} es la cizalladura en la sección
axial; y
- T_{x,y} es el momento de flexión en la
sección axial.
\vskip1.000000\baselineskip
La altura H puede ser medida automáticamente por
el sistema (por ejemplo utilizando una cámara fotográfica) o puede
ser introducida manualmente por un operador.
Evidentemente, para k_{t}
\rightarrow\infty, se obtienen unas condiciones infinitamente
rígidas en A, y los resultados de Euler-Bernouilli
descritos anteriormente demuestran cómo las frecuencias naturales
cambian con la longitud de la barra de sección.
Es fácil deducir que un código basado en el
método de los elementos finitos (FEM) resultará particularmente
adecuado para describir, en estas condiciones, el comportamiento
vibratorio del elemento de supervisión 15 (sonda). A continuación
en la presente exposición, se describe en detalle un ejemplo de
análisis de conformidad con el método FEM.
En el modelo numérico, se evalúa la presencia de
una masa de fluido adicional influyente alrededor del elemento de
supervisión 15, y la acción del fluido sobre la barra de sección 30
y sobre su respuesta de frecuencia a la excitación del agitador 60.
La distancia \delta del elemento de supervisión 15 desde la pared
del pilar 10 introduce un factor de corrección \eta (que debe
evaluarse experimentalmente, por ejemplo) en el código para hacer
coincidir la socavación de la barra de sección 30 con la del pilar
10.
No obstante, para el cálculo de las frecuencias
naturales solo, resulta redundante considerar la acción del
agitador 60 y la acción dinámica del fluido.
El resultado del cálculo de los elementos
finitos del sistema de supervisión 15 se ilustra en cuatro gráficos,
representados en la figura 6, que representan las curvas F_{i},
respectivamente F_{1}, F_{2}, F_{3} y F_{4}, relativas a
las respectivas cuatro primeras frecuencias naturales
\lambda_{i} a las que se asignan parámetros en función de la
depresión \Deltal.
Mediante la excitación de la barra de sección 30
por medio del agitador 60, los acelerómetros 120 miden las
aceleraciones del elemento de supervisión 15, a partir del cual se
obtienen las frecuencias resonantes del elemento de supervisión 15,
a través de una transformada de Fourier, generándose de ese modo el
diagrama experimental representado en la figura 7, que representa
el módulo |u_{x}| de la transformada de Fourier de los
desplazamientos, y en el que se resaltan las cuatro primeras
frecuencias resonantes a partir de las cuales pueden obtenerse las
frecuencias naturales. De ese modo, pues, se obtienen cuatro
frecuencias naturales experimentales \lambda_{i}*.
Utilizando las cuatro frecuencias naturales
experimentales \lambda_{i}* obtenidas de este modo y los
gráficos relativos a las curvas F_{i} representadas en la figura
6, es posible determinar un correspondiente valor experimental de
la depresión \Deltal*. Si la depresión \Deltal* es superior al
valor límite umbral \Deltal_{lim}, el sistema genera una
alarma.
Para evaluar el módulo de elasticidad E_{t}
del suelo 20, puede utilizarse una prueba sin carga por medio de la
cual se instala el elemento de supervisión 15, se activa el agitador
60 y, a través de las aceleraciones medidas por los acelerómetros
120, se miden las frecuencias naturales \lambda_{i}º de la
respuesta sin carga del elemento de supervisión 15. A partir de
estas mediciones, se puede deducir el módulo de elasticidad E_{t}
del suelo 20, puesto que se conoce la totalidad de las
características geométricas y dicho valor representa la única
incógnita.
A partir de la ecuación (1) de
Euler-Bernouilli aplicada al caso de la prueba sin
carga del sistema, se obtiene la ecuación (6):
\vskip1.000000\baselineskip
en la que la única incógnita es la
constante \beta_{i} que depende del tipo de restricción y, por
lo tanto, en este caso, del módulo de elasticidad E_{t}. El valor
del módulo de elasticidad E_{t} se utiliza a continuación en el
código de elementos
finitos.
\vskip1.000000\baselineskip
Haciendo referencia a la figura 4, se utiliza el
valor de presión p facilitado por el transductor de presión
130 para evaluar la fuerza resultante F_{t} de la acción del
fluido sobre la barra de sección 30. Utilizando, en este caso
también, el método de los elementos finitos, se resuelve la
estructura equivalente:
(7)u_{xD} =
0
siendo la ecuación (7) la ecuación
de la congruencia
cinemática.
\vskip1.000000\baselineskip
Se evalúa el brazo d de la fuerza
resultante F_{t} relativa al fondo 20, teniendo en cuenta el
perfil vertical de la velocidad de la corriente. La figura 8
representa un gráfico de la curva J de la fuerza resultante F_{t}
en función de la fuerza H_{D} que se ejerce sobre el accionador
100 en el punto D, es decir, F_{t} = F_{t}(H_{D}).
El accionador 100 provee en el punto D un
soporte frontal a la barra de sección 30 para impedir que la barra
de sección sea arrastrada hacia el pilar 10 bajo la acción
hidrodinámica de la corriente del agua.
El valor de presión p medido por el
transductor 130 corresponde realmente a la fuerza H_{D} ejercida
sobre el accionador 100. Partiendo de dicha fuerza H_{D}, se
determina la fuerza media resultante F_{t} y a partir de esta se
obtiene la fuerza sobre el pilar 10. Puesto que también se dispone,
a través de la resolución de las ecuaciones estáticas de la
estructura, de las curvas que indican la dependencia de las
reacciones de restricción del fondo con la fuerza H_{D}:H_{A} =
H_{A}(H_{D}) (reacción horizontal del fondo 20) y
M_{A} = M_{A}(H_{D}) (momento del fondo 20), se
determinan las reacciones de restricción del fondo 20.
\newpage
El conocimiento de estas reacciones de
restricción permite una evaluación adicional del módulo de
elasticidad del suelo E_{t}. Una vez se obtiene la fuerza
resultante F_{t}, basándose en la curva J de la figura 8, la
velocidad de la corriente en el infinito U_{\infty} se determina
con la ecuación siguiente:
que impone, por ejemplo, un perfil
logarítmico a la velocidad. Esta velocidad es la que se introduce en
el procesamiento de los elementos
finitos.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 9 representa el gráfico de la fuerza
resultante F_{t} en función de la velocidad de la corriente en el
infinito U_{\infty}. En la banda de la Figura 9, se tiene en
cuenta el grado aleatorio de la medición de la densidad del fluido
\rho_{f} debido al transporte de sólidos.
Realmente, la barra de sección 30 se halla en la
zona de corriente que está alterada por la presencia del pilar 10
y, por consiguiente, la ecuación en la que se tiene en cuenta esta
alteración y se describe la fuerza resultante debida a la acción
hidrodinámica adopta la forma siguiente:
donde \sigma<1 se evalúa
experimentalmente.
\vskip1.000000\baselineskip
Desde el punto de vista dinámico, para calcular
las dimensiones del agitador 60, se resuelve numéricamente el
sistema que describe el modelo que impone un desplazamiento máximo
u_{yMAX} del extremo libre del elemento de supervisión 15
(estando situado dicho extremo en el punto (z=L+l)) y una excitación
aleatoria con un valor máximo F_{s}: f_{s}(t) =
(F_{s}) aleatoria.
De este modo, se obtiene el valor máximo F_{s}
que provoca el desplazamiento máximo u_{yMAX}.
El desplazamiento máximo u_{yMAX} impuesto
debe permitir mantener la estructura y el fondo dentro del rango de
elasticidad.
Por lo que respecta a las dimensiones del
accionador 100, en el modelo se impone una tensión máxima que es
debida a la fuerza resultante F_{t} relativa a la acción
hidrodinámica, y se determina la fuerza H_{D} que se ejerce sobre
el accionador 100 (curva J de la figura 8).
Se puede introducir en el modelo una excitación
f_{s}(z, t) que simula una colisión con un objeto
pesado:
(10)f_{s} (z,
t) = F_{M} \delta (z - (L + H)) \delta ))
\delta
La ecuación (10) representa un impulso de módulo
F_{H} que está concentrado en la superficie libre. De esta forma
se determina la fuerza ejercida sobre el accionador 100, y se
calibra la válvula limitadora de presión 131 como corresponda.
Si el dispositivo de supervisión 15 es golpeado
por un objeto sólido que es tan pesado como para poner en peligro
la integridad estructural del accionador 100, entonces la válvula
limitadora de presión se activa, lo cual a su vez permite la
retracción del vástago 110 del accionador 100 que se ha extraído
para poder agarrar la barra de sección
30.
30.
En cuanto a las dimensiones de la barra de
sección 30, dicha barra de sección 30 es hueca y de sección
circular. El diámetro externo De de la barra de sección 30
se elige basándose en cuestiones relativas a la estabilidad del
dispositivo de supervisión 15 y depende del tipo de suelo y del
caudal máximo esperado.
La sección crítica es la sección terminal
inferior del extremo libre. Los cálculos se llevan a cabo de la
manera clásica, comparando las tensiones máximas obtenidas a partir
del modelo con el límite elástico del material.
\newpage
La sección se somete a una tensión mediante
flexión recta y la consiguiente restricción es:
siendo R el radio externo y r el
radio interno de la barra de sección circular
30.
\vskip1.000000\baselineskip
En caso de impacto, la ecuación (11) se
transforma como se indica a continuación:
Estableciendo D = 2R para el diámetro externo,
se determina el valor del radio interno r.
Las figuras 10a y 10b representan el diagrama
lógico del funcionamiento del sistema de supervisión 500. En
particular, la figura 10a es un diagrama de bloques que representa
en forma de bloques el accionador 100, el agitador 60, el conjunto
de acelerómetros 120 y el transductor de presión 130, que ya se han
descrito anteriormente. Mediante el número de referencia 140, se
designa una conexión inalámbrica que adopta la forma de realización
de, por ejemplo, la unidad transceptora 230 de la figura 4, situada
entre el elemento de supervisión 15 y el centro de control 150.
Dentro del centro de control 150, se implementa el procesamiento del
modelo (por ejemplo, las ecuaciones (4) y (5)) que describe el
sistema relativo al elemento de supervisión 15. La salida del
centro de control 150 viene representada por un informe 160, ya sea
electrónico o bien impreso en papel, que comprende los valores
\Delta\ell, F_{t}, E_{t} y U_{\infty}.
En la figura 10b, se representan otros
componentes del sistema de supervisión en un diagrama de bloques
adicional.
Con el número de referencia 250, se designa el
conjunto de acelerómetros 120 y el transductor de presión 130 que
transmiten la señal a una etapa de compensación 240, que va seguida
de una etapa de adaptación 220 para la unidad transceptora de radio
230 que transmite la señal por la red inalámbrica 140 hasta el
centro de control remoto 150, a través de una unidad transceptora
230 y una etapa de adaptación 220 asociada a esta.
El centro de control remoto 150 es capaz de
transmitir mandatos por la red inalámbrica 140, a través de una
etapa de adaptación 220 y una unidad transceptora 230, siendo dichos
mandatos recibidos por una correspondiente unidad transceptora 230
y una correspondiente etapa de adaptación 220 del elemento de
supervisión 15, que envían los mandatos a un controlador 210 para
controlar el conjunto del agitador 60 y del accionador 100,
indicados globalmente mediante el número de referencia 200.
En general, el sistema de supervisión 500
funciona de la manera indicada a continuación. El sistema de
supervisión 500 normalmente está apagado. En cuanto se enciende el
sistema 500, el vástago 110 del accionador 100 se halla en su
posición extraída y mantiene agarrada la barra de sección 30 con una
presión mínima p_{min} suficiente para permitir un contacto
seguro. En estas condiciones, la información enviada al centro de
control remoto 150 es la única medición del transductor 130 de la
presión p utilizada por el código para evaluar la fuerza ejercida
por el fluido sobre la barra de sección 30 y, por consiguiente,
sobre el pilar 10.
A intervalos de tiempo \Deltat, el vástago 110
se retrae, y por consiguiente se ordena al agitador 60 que ejerza
tensión sobre la barra de sección 30, para permitir de ese modo que
los acelerómetros 120 realicen las mediciones para determinar las
frecuencias naturales experimentales \lambda_{i}*. Las
mediciones de los acelerómetros 120 se transmiten, a través de las
unidades 230, al centro de control remoto 150 que determina el
estado de la depresión \Deltal del fondo 20 aplicando el modelo
descrito anteriormente. Una vez que se ha extinguido la vibración
impartida por el agitador 60, el vástago 110 vuelve a su posición de
agarre. Este procedimiento es completamente automático.
En el centro de control remoto 150, el operador
puede cambiar los parámetros de prueba (intervalo de tiempo
\Deltat y parámetros del agitador 60). Dicho centro de control
remoto puede localizarse físicamente en cualquier punto geográfico
que pueda ser alcanzado por la señal UMTS o GPRS. La unidad de
control y cálculo puede ser portátil (por ejemplo, por medio de un
PC tablet provisto de tarjetas transceptoras y de adquisición), lo
cual permite su utilización en movimiento. Los resultados obtenidos
pueden transmitirse, para información, a los ordenadores de
bolsillo o teléfonos celulares de usuarios especiales autorizados
para recibir dichos datos. También puede estar disponible una
microcámara que fotografía los procesos (y comprueba asimismo el
nivel H de la superficie libre) y envía imágenes al centro de
control 150 a través de las unidades transceptoras 230.
Los acelerómetros 120 pueden medir las
vibraciones también de forma independiente de la activación del
agitador 60, y medir de ese modo el ruido de fondo generado por la
acción de la corriente sobre el elemento de supervisión
15.
15.
En principio, las tensiones generadas por la
corriente pueden ser suficientes para determinar las frecuencias
naturales del elemento de supervisión 15. No obstante, realmente, su
intensidad y distribución espectral, que dependen de las
condiciones de la corriente del río, pueden ser insuficientes para
determinar con precisión las frecuencias naturales \lambda_{i}*
y extraer conclusiones fiables sobre el comportamiento vibratorio.
Las comprobaciones del elemento de supervisión 15 se realizan
preferentemente reproduciendo el hundimiento del suelo y el cambio
del nivel del agua. Estas comprobaciones tienen por objetivo
introducir coeficientes de corrección experimentales del modelo.
Por consiguiente, el agitador 60 se activa modulando la depresión
\Deltal y comparando las frecuencias naturales \lambda_{i}*
medidas por los acelerómetros 120 con las calculadas mediante el
modelo.
El dispositivo, el sistema y el procedimiento de
supervisión descritos en la presente memoria admiten variantes
adicionales.
Las dimensiones de la barra de sección 30 pueden
reducirse colocando la unidad en la que se aloja el agitador 60
debajo de la superficie libre y blindando la unidad.
Por otra parte, puede resultar útil proporcionar
al elemento de supervisión 15 una estructura modular, en la que una
primera parte de la barra de sección 30 esté situada debajo del
suelo y una segunda parte, sujeta a la primera, comprenda el
agitador 60 y los acelerómetros 120.
La unidad 230 instalada sobre el puente puede no
estar presente, y entonces los componentes electrónicos relativos a
las unidades 230, 240, 220, 210 se disponen dentro de la caja 50. La
unidad de procesamiento puede estar situada asimismo de manera
conveniente a bordo del elemento de supervisión o al lado, con
respecto a la conexión 140, del elemento estructural supervisado
para limitar la información enviada al centro de control remoto 150
solo al informe 160. Por otra parte, el sistema puede estar
configurado para interconectarse directamente con un indicador
luminoso (semáforo) situado en las entradas del puente, e impedir de
ese modo directamente que los usuarios crucen el puente cuando está
en condiciones de peligro. En este caso, no es necesario disponer
de comunicación inalámbrica con el centro de control remoto 150.
En otra configuración posible, la barra de
sección está doblemente sujeta: al fondo y al propio pilar.
El sistema de apoyo frontal de la barra de
sección 30 sobre el pilar 10 también puede ser doble, con dos
vástagos 110a y 110b inclinados adecuadamente como se representa en
la figura 12.
El accionador 100 y los componentes relacionados
(transductor de presión, válvula limitadora de presión...) pueden
no estar presentes también.
Basándose en la corriente, los elementos de
supervisión 15 pueden disponer de un perfil diferente respecto de
la sección anular recta constante. El tramo subterráneo L puede
presentar una sección axial con una forma diferente a la circular
recta (por ejemplo, como se representa en la figura 11a, puede estar
provisto de una "lengüeta" 400 para mejorar la estabilidad).
El extremo bajo del elemento de supervisión 15 puede ser también
puntiagudo, como se representa en la figura 11b, para facilitar su
instalación en el suelo 20.
El sistema de supervisión descrito anteriormente
es, pues, ventajosamente operativo para atender de manera
permanente las peticiones externas del operador (a voluntad),
gracias a la ubicación del agitador en el elemento de
supervisión.
Ventajosamente, el sistema de supervisión
descrito anteriormente no es invasivo para el entorno ni perjudicial
para las especies de peces y de la flora que habitan en la masa de
agua.
El sistema de supervisión también es capaz de
medir un tipo de socavación denominada "socavación oculta" que
es difícil de evaluar con sistemas ópticos o acústicos, en la que el
fondo no se ha hundido de manera significativa, pero no está
completamente consolidado debido, por ejemplo, a que el lodo ha
reemplazado una parte del material que había en torno al pilar.
Más generalmente, el sistema de supervisión
descrito anteriormente es ventajosamente capaz de evaluar la pérdida
de la estabilidad de construcciones que están sujetas a condiciones
de hundimiento potenciales del fondo sobre el cual se afianzan,
tales como puentes, vigas, construcciones marítimas y construcciones
hidráulicas en general.
A continuación, se describe en mayor detalle un
ejemplo de aplicación del procedimiento FEM para calcular las
frecuencias naturales.
Aplicando el método de Galerkin a la ecuación de
la cantidad de movimiento en la dirección y (1y, 2y, 3y) en
ausencia de resistencia y sin forzar el agitador, y designando con
la letra de referencia G el espacio de las funciones
suficientemente regulares g(z) definidas en (0, L+1 = T) que
satisfacen las condiciones del entorno del modelo físico, se
obtiene:
proporcionando \forallg \in G
con u_{y}(z, t) la solución
exacta.
Se introduce a continuación un subespacio
G_{N} de dimensión N cuya base está constituida por las funciones
\varphi_{i}. Imponiendo la condición de que la solución numérica
debe satisfacer la última ecuación solo para los valores de g
pertenecientes a G_{N}, y por consiguiente para cada una de las
funciones de la base, se obtiene:
para todos los valores de i de 1 a
N.
\vskip1.000000\baselineskip
Sea u_{y}^{N} la proyección de la solución
numérica de u_{y} en el subespacio G_{N}:
Sustituyendo la expresión de u_{y}^{N}, se
obtiene:
en la que las matrices M_{ij} y
K_{ij}, que representan respectivamente la matriz de la masa y la
matriz de rigidez global, vienen dadas
por:
A continuación, se describen las funciones
básicas \varphi_{i} del método de los elementos finitos. Dichas
funciones comprenden polinomios de tercer grado para los segmentos
de cada uno de los N_{e} elementos en los cuales se subdivide la
estructura completa. El número de elementos N_{e} se obtiene
sumando el número de elementos subterráneos N_{t} al número de
elementos libres N_{1}.
N_{e} = N_{t}
+
N_{1}
N = 2N_{e} +
2
Las matrices de masa y rigidez M_{ij} y
K_{ij} se calculan sumando las matrices de masa y rigidez locales
de cada elemento finito.
\newpage
Las frecuencias naturales numéricas del sistema
material se calculan resolviendo la ecuación siguiente:
y la dependencia de estas con las
características elásticas del suelo y del hundimiento
\Deltal.
\vskip1.000000\baselineskip
La introducción de las tensiones externas
debidas al fluido y al agitador en el modelo es necesaria para
simular la respuesta de frecuencia, pero es irrelevante para el
objetivo de evaluar las frecuencias naturales.
La presencia de una restricción adicional
(soporte retráctil en el punto D) se modeliza mediante la condición
de contorno relacionada (congruencia cinemática).
En cualquier caso, independientemente de la
construcción de un modelo físico y numérico, el sistema señaliza el
descenso del nivel del fondo detectando la variación de las
frecuencias naturales del sistema material constituido por el
elemento 15.
Claims (23)
1. Sistema para supervisar las variaciones de
nivel de por lo menos una zona inferior (20) de un suelo sometido a
agentes erosivos y sedimentarios, que comprende por lo menos un
elemento de supervisión (15) fijado a dicha parte inferior (20),
comprendiendo dicho por lo menos un elemento de supervisión (15)
unos medios sensores (120) para detectar una respuesta
(|u_{x}|) de dicho por lo menos un elemento de supervisión
(15) con respecto a una tensión (f_{s}), siendo posible por medio
de dicha tensión (f_{s}) determinar vibraciones, originando
dichas vibraciones desplazamientos (|u_{x}|) de por lo menos
una parte de dicho por lo menos un elemento de supervisión, y
siendo dicha respuesta una función de dichos desplazamientos
(|u_{x}|), caracterizado porque están previstos
unos medios (150) para analizar dicha respuesta con respecto a dicha
tensión (f_{s}), para identificar las frecuencias características
(\lambda_{i}*) de dicho elemento de supervi-
sión (15) y para correlacionar dichas frecuencias características (\lambda_{i}*) con el descenso (\Deltal_{p}) de dicha zona inferior (20).
sión (15) y para correlacionar dichas frecuencias características (\lambda_{i}*) con el descenso (\Deltal_{p}) de dicha zona inferior (20).
2. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha operación de supervisión de las
variaciones del nivel de una parte inferior de un suelo sometido a
agentes erosivos y sedimentarios comprende la supervisión de la
estabilidad de por lo menos un elemento de apoyo (10), en particular
el pilar a modo de puente, con respecto a dicha zona inferior (20)
a la cual se ha fijado dicho elemento de apoyo (10), estando
dispuesto dicho elemento de supervisión (15) en una posición
externa a dicho elemento de apoyo (10).
3. Sistema según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque dicho elemento de supervisión (15)
comprende unos medios accionadores (60) que son capaces de
responder a la orden de aplicar dicha tensión (f_{s}) a dicho
elemento de supervisión (15).
4. Sistema según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque dicha tensión mecánica es aplicada por
la acción hidrodinámica del fluido.
5. Sistema según la reivindicación 3 ó 4,
caracterizado porque dichos medios sensores (120) son
acelerómetros.
6. Sistema según la reivindicación 3,
caracterizado porque dichos medios accionadores (60)
comprenden un agitador.
7. Sistema según una o más de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque comprende unos
medios para recibir y transmitir los datos (230) relativos a dicha
respuesta (|u_{x}|) a dicha tensión (f_{s}) de la
información destinada a un centro de control (150).
8. Sistema según la reivindicación 7,
caracterizado porque dicho centro de control (150) está
situado en una posición remota.
9. Sistema según la reivindicación 7 u 8,
caracterizado porque dichos medios receptores y transmisores
(230) son inalámbricos y, en particular, son unos medios receptores
y transmisores para telefonía móvil.
10. Sistema según la reivindicación 7 u 8,
caracterizado porque dichos medios receptores y transmisores
(230) transfieren los datos a través de Internet.
11. Sistema según una o más de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque comprende un
accionador (100) que puede activarse selectivamente para alcanzar
una posición de apoyo de dicho elemento de supervisión (15).
12. Sistema según la reivindicación 11,
caracterizado porque comprende un transductor de presión
(130) para medir una presión (p) a la cual está sujeto dicho
elemento de supervisión (15).
13. Sistema según la reivindicación 12,
caracterizado porque dicho accionador (100) está asociado a
una válvula limitadora (131) que funciona como una función de dicha
presión (p) a la cual está sujeto dicho elemento de supervisión
(15).
14. Procedimiento para supervisar las
variaciones de nivel de por lo menos una zona inferior (20) de un
suelo sometido a agentes erosivos y sedimentarios y explotar un
sistema de supervisión según la reivindicación 1, que comprende las
operaciones siguientes:
- -
- colocar por lo menos un elemento de supervisión (15) y fijado a dicha zona inferior (20);
- -
- detectar, con unos medios detectores (120) situados en dicho por lo menos un elemento de supervisión (15), una respuesta (|u_{x}|) de dicho por lo menos un elemento de supervisión (15) con respecto a una tensión (f_{s}),
siendo posible mediante dicha tensión (f_{s})
determinar las vibraciones, originando dichas vibraciones unos
desplazamientos (|u_{x}|) de por lo menos una parte de dicho
por lo menos un elemento de supervisión;
- -
- detectar dicha respuesta como una función de dichos desplazamientos (|u_{x}|) de por lo menos una parte de dicho por lo menos un elemento de supervisión (15);
- -
- analizar dicha respuesta con respecto a dicha tensión (f_{s}),
- -
- identificar las frecuencias características (\lambda_{i}*) de dicho elemento de supervisión (15); y
- -
- correlacionar dichas frecuencias características (\lambda_{i}*) con un descenso (\Deltal_{p}) de dicha zona inferior (20).
15. Procedimiento según la reivindicación 14,
caracterizado porque dicha operación de supervisión de las
variaciones de nivel de por lo menos una zona inferior (20) de un
suelo sometido a agentes erosivos y sedimentarios comprende la
supervisión de la estabilidad de por lo menos un elemento de apoyo
(10), en particular un pilar a modo de puente, con respecto a dicha
zona inferior (20) a la cual se ha fijado dicho elemento de apoyo
(10), y la colocación de dicho por lo menos un elemento de
supervisión (15) en una posición externa a dicho elemento de apoyo
(10).
16. Procedimiento según la reivindicación 14 ó
15, caracterizado porque comprende la operación de aplicación
de dicha tensión (f_{s}) a dicho elemento de supervisión (15) con
unos medios accionadores controlables (60).
17. Procedimiento según la reivindicación 14 ó
15, caracterizado porque emplea la acción hidrodinámica de
un fluido que aplica la acción erosiva a dicho elemento de
supervisión para aplicar dicha tensión.
18. Procedimiento según la reivindicación 16 ó
17, caracterizado porque la operación de análisis de dicha
respuesta comprende el análisis de un módulo (|u_{x}|) para la
transformada de Fourier del desplazamiento detectado por dichos
medios sensores (120).
19. Procedimiento según una o más de las
reivindicaciones 14 a 18, caracterizado porque comprende la
transmisión (230) de los datos relativos a dicha respuesta
(|u_{x}|) a dicha tensión (f_{s}) de la información
destinada a un centro de control (150) situado en una posición
remota.
20. Procedimiento según una o más de las
reivindicaciones 14 a 19, caracterizado porque comprende la
transmisión (230) de mandatos para que por lo menos dichos medios
accionadores (60) apliquen dicha tensión (f_{s}), desde dicho
centro de control (60) situado en una posición remota.
21. Procedimiento según la reivindicación 19 ó
20, cuando están subordinadas a la reivindicación 16,
caracterizado porque es operativo para ordenar a dichos
medios accionadores (60) que apliquen dicha tensión (f_{s}) a
intervalos de tiempo preestablecidos (\Deltat).
22. Procedimiento según una o más de las
reivindicaciones 14 a 21, caracterizado porque comprende la
operación de provisión (100) de un apoyo extraíble para dicho
elemento de supervisión (15).
23. Procedimiento según una o más de las
reivindicaciones 14 a 22, caracterizado porque comprende la
operación de medición de la presión (p) a la cual está sujeto dicho
elemento de supervisión (15).
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