Detección no destructiva de longitud de pila para alta

Un nuevo método de prueba permitirá al MnDOT determinar las profundidades de los pilotes de cimientos subterráneos de las torres de iluminación de mástil alto (HMLT) sin excavar ni desmantelar. Los HMLT deben cumplir con los estándares de diseño para garantizar la estabilidad de carga. Al utilizar el nuevo método para evaluar la profundidad de las pilas, el MnDOT podría evitar modificaciones o reemplazos costosos y priorizar las torres de iluminación que necesitan un rediseño.

Cientos de torres de iluminación de mástil alto (HMLT, por sus siglas en inglés) están instaladas en todo Minnesota, y muchas han estado en su lugar durante varias décadas. La Oficina de Puentes y Estructuras de MnDOT tiene la tarea de garantizar que las torres y sus cimientos cumplan con las especificaciones actuales de Diseño de factor de carga y resistencia (LRFD) de AASHTO y rediseñarlos, si es necesario.

Para tomar esa determinación, los ingenieros deben comprender la estructura, la geometría y las dimensiones de los cimientos del HMLT. Si bien los cimientos del HMLT de Minnesota generalmente se diseñan con una plataforma de hormigón triangular asegurada en sus vértices por tres pilotes incrustados angularmente, es posible que se desconozcan los detalles porque faltan la documentación de construcción y los datos del suelo para muchas torres.

"Ha sido un desafío monitorear torres de iluminación de mástil alto para garantizar que se cumplan los estándares de diseño actuales. Pero las pruebas de campo exitosas y un análisis en profundidad dieron como resultado una herramienta muy útil y rentable", dijo Rich Lamb, ingeniero de cimientos, MnDOT Oficina de Investigación de Materiales y Carreteras.

El hecho de que una cimentación HMLT cumpla con las especificaciones LRFD depende de la profundidad de los pilotes. Sin registros de construcción u otra evidencia de la profundidad de los pilotes, los cimientos necesitarían una costosa actualización o reemplazo para garantizar que se cumplan los estándares de diseño.

Otros programas del MnDOT han estado explorando o implementando varias tecnologías de detección remota o no destructiva para la inspección de activos. La agencia quería una herramienta de detección para identificar las longitudes de las pilas en el lugar para priorizar de manera efectiva qué HMLT necesitan atención.

El objetivo de este proyecto era desarrollar un método no destructivo, incluido el hardware y el análisis de datos fuera de línea, para determinar las longitudes de los pilotes en el lugar.

El equipo de investigación utilizó un enfoque múltiple para diseñar una técnica de campo que detectaría la longitud de los pilotes de cimentación subterráneos. Los miembros del equipo identificaron una metodología de detección basada en dos técnicas vibratorias mecánicas: una vibración de estado estacionario de un vibrador de pistón neumático y el impacto de un solo martillo en una placa de montaje.

Ambos métodos aplicaron la vibración por encima del fuste del pilote. Un penetrómetro de cono sísmico empujado en el suelo probó el perfil del suelo, o estratificación, y estaba equipado con un transductor de movimiento en su punta. Una barra de acero separada insertada entre la cabeza del pilote y la fuente de vibración proporcionó una conexión física para que las vibraciones mecánicas se transmitieran a través del pilote. Debido al alto contraste de impedancia sísmica entre el pilote y el suelo circundante, las ondas sísmicas causadas por las vibraciones se transmiten al fondo del pilote y al suelo circundante. Los datos de olas recogidos por la instrumentación se utilizan para ayudar a estimar la longitud del pilote.

Después de revisar los limitados datos de construcción existentes sobre los diseños de cimientos HMLT de Minnesota y las características del suelo, los investigadores crearon un modelo computacional para simular y analizar en 3D la interacción entre el suelo y las pilas en el contexto de la metodología de detección y, en última instancia, la correlación entre la forma de onda patrones y profundidad de pila. El modelo también informó los parámetros de prueba más efectivos para los dos métodos, incluida la frecuencia de vibración óptima y la ubicación de los sensores sísmicos.

"Si bien nuestro método puede parecer costoso (5000 dólares para analizar una torre individual), tiene el potencial de ahorrar a los contribuyentes de Minnesota hasta 8 millones de dólares, ya que cuesta aproximadamente 40 000 dólares reemplazar una base HMLT", Bojan Guzina, profesor del Departamento de Asuntos Civiles de la Universidad de Minnesota. , Ambiental y Geo-Ingeniería.

El equipo de investigación diseñó redes neuronales profundas (conjuntos de algoritmos) para interpretar los datos de impacto vibratorio y de martillo en relación con la profundidad de la pila. Si bien normalmente se requieren datos de campo adecuados para crear un algoritmo de aprendizaje automático, los investigadores utilizaron miles de simulaciones de modelos como datos de entrenamiento de proxy.

Finalmente, con ajustes menores al diseño planificado, el equipo probó el sistema de detección en múltiples cimientos HMLT en el área metropolitana de Twin Cities durante 15 meses. En cada sitio, primero se identificaron la orientación y la geometría de los cabezales de pilotes enterrados para guiar la colocación del equipo de prueba. Se utilizaron métodos de impacto de martillo y de estado estacionario, y se analizó el suelo para comprender el perfil del suelo a lo largo de la pila. Los investigadores compararon las longitudes de los pilotes identificados por sus métodos con los datos de construcción MnDOT HMLT existentes.

Utilizando sensores, datos del suelo, simulaciones 3D y aprendizaje automático, los investigadores desarrollaron un enfoque analítico no destructivo para determinar la profundidad de los pilotes de soporte bajo una base HMLT. El método produjo resultados consistentes con seis meses de diferencia. En general, los resultados mostraron que el método de impacto de martillo coincidía más con los datos de MnDOT que el método vibratorio de estado estacionario, aunque los investigadores recomiendan usar ambos para obtener estimaciones sólidas.

El equipo también determinó que una base HMLT completa con tres pilotes se puede evaluar en un día utilizando el método de impacto de martillo, y concluyó que este método, en comparación con los costos de reacondicionamiento o reemplazo, podría ahorrar recursos sustanciales para MnDOT.

Este proyecto brindó una posible herramienta de evaluación para ayudar a informar las decisiones del MnDOT de reemplazar, modernizar o dejar los cimientos HMLT existentes tal como se construyeron. La agencia está considerando un programa piloto que daría prioridad a los HMLT y usaría este método de detección para evaluar aquellos sin documentación de construcción para determinar si se cumplen los estándares de diseño actuales.