-"

Capítulo 33 ~

~

LAS VIBRACIONES TERRESTRES, LA ONDA AEREA Y SU CONTROL

--' J

../

../

1.

INTRODUCCION

propagación de las vibraciones y onda aérea producidas por las voladuras, la metodología de estudio, los criterios de daños aplicables y los parámetros de diseño que debe considerar el técnico para controlar esas alteraciones ambientales.

Las alteraciones principales que originan las voladuras son: vibraciones, onda aérea y proyecciones de roca, Fig. 33.1. Todas ellas pueden, en algunas cir-

.-/ cunstancias, originar daños en las estructuras próximas y, además, ser causa de conflictos permanentes con los habitantes próximos a las explotaciones. También es frecuente la formación de polvo cuyo control es ../ difícil.

Para solventar estos problemas es preciso una mayor cualificación de los responsables de las voladu---' ras con el fin de reducir los niveles de las pertubaciones a un coste razonable; además, es recomendable, e incluso necesaria, una labor de información y de relaciones públicas por parte de la dirección de las explota---' ciones, que, en algunos casos, puede llegar a ser más eficaz que la realización de estudios por parte de especialistas en la materia. --' En este capítulo se analiza la teoría de generación y

--' ->

,

/

~~/~

~ /'~ / '-, DELVIENTO,

../ -DIRECCION

f:\

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0.J

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ONDA

'-

~- LA ONDAAEREA 0C\ REFLEXION DE

--

-

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G ~¡

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AEREA

,

/

/

- --

+-~~*~~E~~~~~ ','¡ ~! ~ ~ i ~

~~~~ ~

Foto 33.1. Alteraciones producidas por las voladuras, vibraciones, onda aérea, proyecciones y polvo.

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I

O \!JEDIFICIOS 'J~'

PR~YEC~

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"" PANtALLA_VEGETAL

I

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I

:-.)~

-7:\~VOLADURA ~-

~

ME6~9A DE LA VELOCIDAD DE PARTICULA

\ Figura 33.1.

Perturbaciones

originadas por las voladuras de rocas. 453

'--

2. VARIABLES QUE AFECTAN A

0.4

LAS CARACTERISTICAS DE LAS VIBRACIONES

"-

.3

Las variables que afectan a las características de las vibraciones son, prácticamente, las mismas que influyen sobre los resultados de las voladuras, clasificándose en dos grupos, según que sean controlables o no controlables por los usuarios de explosivos. En los epígrafes siguientes se analiza la influencia de las variables principales sobre las vibraciones.

MINAS DE CARBON

J

.2

"-

o Q

)( .1

(f) o (f)

ve

= tn-

te

= Tiempode retardo efectivo.

tn S ve

= Tiempo de retardo nominal. = Espaciamiento entre barrenos. = Velocidad de propagación de las ondas sísmicaso

75,

= Angulo entre la línea de progresión de la voladura y la posición del captador.



5

>

25

Q,25 q3oM¡4J?

Figura 33.5.

I

1,5.2

CONSUMO

2,5 3

ESPECIFICO (Kg 1m3)

La Fig. 33.6 muestra el caso de una fila de barrenos con diferentes posiciones relativas de los captadores. El ángulo crítico de la posición relativa donde las ondas llegan al mismo tiempo y, por lo tanto, puede producirse una cooperación entre dichas ondas sís-

Influencia del consumo especifico de explosivo en la intensidad de vibración.

,, A

POSICION

135°

,,

POSICION A 90° I I I

POSICION A 60° I I I I

,

2.5. Tipos de explosivos Existe una correspondencia entre las velocidades de partícula y las tensiones inducidas en las rocas, y tal constante de proporcionalidad es la impedancia del medio rocoso. Así,pues, la primera consecuencia práctica es que aquellos explosivos que generan presiones de barre456

s

POSICION A 0°

Figura 33.6. Posiciones relativas de los puntos de registro. (Wiss y Línehan).

micas, será aquel para el que «te - O», y puede determinarse a partir de: '

~/

>w ¡:: o «o 1« Wo Q::¡¡¡ z Z OW ¡¡¡ f-ZZ W f--O

t!

LlTHONJA BACYRUS

CALIZA MARJON'

e YESO WINNFIELD

0,2

e

0,10 0.08, 0,06

e PENDIENTE= - 1,5

0.04, 0,02

0.01 I

2

4

6

S 10

20

40

60

100

DESACOPLAMIENTO Figura 33.10. Influencia del desacoplamiento en la intensidad de las vibraciones.

458

Tipos de ondas sísmicas generadas

'~

Las vibraciones generadas en las voladuras se transmiten a través de los materiales como ondas sísmicas cuyo frente se desplaza radial mente a partir del punto de detonación. Las distintas ondas sísmicas se clasifican en dos grupos: «ondas internas» y «ondas" superficiales». El primer tipo de ondas internas son las denominadas "Primarias o de Compresión». Estas ondas se propagan dentro de los materiales, produciendo alternativamente compresiones y rarefacciones y dando lugar a

"-

un movimiento de las partículas en la dirección de

"

propagación de las ondas. Son las más rápidas y producen cambios de volumen, pero no de forma, en el material a través del que se propagan. El segundo tipo lo constituyen las «Ondas Transversales o de Cizallamiento - S» que dan lugar a un movimiento de las partículas perpendicular a la dirección de propagación de la onda. La velocidad de las ondas transversales está comprendida entre la de las ondas longitudinales y la de las ondas superficiales. Los materiales a causa de estas ondas experimentan cambios de forma pero no de volumen. Las ondas de tipo superficial que se generan normalmente en las voladuras de rocas son: las Ondas Rayleigh-R y las Ondas Love-O. Otros tipos de ondas superficiales son las Ondas Canal y las Ondas Stonelly, que carecen de importancia por la poca información que suministran.

"

"

J COMPRESION (p)

MOVIMIEITI9 PARTICULA DIRECCION DE PROPAGACION

/ J

.-/

CIZALLAMIENTO

MOVIMIENTO PARTICULA

(S)

h /~~

r DIRECCION DE PROPAGACION

-""""""'.L

.../

./ Figura 33.11. Ondas de Compresión-P y Cizallamiento-S. ./ Las Ondas Rayleigh imprimen a las partículas un movimiento según una trayectoria elíptica, con un ./ sentido contrario al de propagación de la onda. Las ondas Lave, más rápidas que las Rayleigh, dan lugar a un movimiento de partículas en dirección transversal a la de propagación. ./ Las velocidades de las ondas "P» y «S» pueden estimarse a partir de las características elásticas de los materiales con las siguientes expresiones:

.

Figura

33.12.

Registro de ondas.

Ondas Rayleigh las que constituyen potencial de daños.

3.2.

un mayor riesgo

Parámetros de las ondas

./

/

VCp

=

./

Vp,

E x (1 - v) x (1

/ VCs

=

V2 x

-

2v) x (1 + v)

E p, x (1 + v)

/

/

El paso de una onda sísmica por un medio rocoso produce en cada punto de éste un movimiento que se conoce por vibración. Una simplificación para el estudio de las vibraciones generadas por las voladuras consiste en considerar éstas como ondas de tipo sinusoidal, Fig. 33.13.

donde: o .... z !!!~ :e :3

= Densidad de la roca. p, = Coeficiente de Poisson. v = Módulo de Young. E de las onVCp y VCs - Velocidades de propagación das longitudinales y transversales, respectivamente.

Para un material cuyo coeficiente de Poisson sea de 0,25 puede afirmarse que «VCp» es 1,73 veces «VCs», y que la velocidad de las ondas Rayleigh es de «0,9 VCs». Como las ondas viajan con diferentes velocidades y el número de retardos en las voladuras puede .¡' ser grande, las ondas generadas se superponen unas con otras en el tiempo y en el espacio, por lo que resultan movimientos complejos cuyo análisis requiere la utilización de captadores dispuestos según tres direcciones: radial, vertical y transversal, Fig. 33.12. En cuanto a la distribución de la energía transportada por los diferentes tipos de ondas, numerosos investigadores como Miller y Pursey (1955), Vorob'ev (1973), etc., afirman que las ondas Rayleigh transportan entre el 70 y el 80% de la energía total. En el manual de voladuras de Du Pont se dice que este tipo de ondas dominan el movimiento de la superficie del terreno a distancias de las voladuras de varios cientos de metros, y dado que muchas estructuras y edificaciones en el entorno de las explotacione~ se encuentran a distancias superiores a los 500 m son las

VALOR MAXIMO

¡'¡ c: ~ 2,5 1c::

J

[ [

v = Kx v

= Kx

'-n

DS

J

Q1/2

X e-aDS -n

DS

J

Ql/3

X e-aDS

~ W O

6.2. Predicción teórica de las vibraciones terrestres

ct

::!: ./

./

./

./

Cuando no se dispone de instrumentación yequipos para realizar una campaña vibrográfica, la intensidad de las perturbaciones originadas por las voladuras puede predecirse con un modelo teórico, G. Serta (1985), teniendo en cuenta que la energía sísmica transmitida a la roca por el explosivo puede evaluarse con las siguientes dos expresiones:

~O, ::!: O ct O Ü O ...J W

>

0,()25 . 30

300

3000

30000 DISTANCIA (mm)

Es = 21t2A2f2 X 21tDS2 X Pr X VC x Tv X 10-6 Figura 33.24.

Leyes de

propagación de las vibraciones con

Es

amortiguaciones geométricas y atenuaciones ine/ásticas exponencia/es.

.1

= nI x n2 x ET x O

donde:

./

./

(MJ)

A

Sugieren, según los tipos de ondas, las siguientes leyes de propagación: 1.

-'

DS

=

V oc (DR)2

siendo:

DR = Distancia

Así pues, resulta:

2

voc

oc

e

[

DS Q172

]

(DR)

[

V

=

=""""QT72 J

K2

X

[

x e-aDS

oc

DS (DR)Q,5

=

[

- 1

J

DS

v = K3 X

[ ] Q1/2

n2

X

aDS

e..r

(e.g.,

a grandes

1/2

DS Q1/2

J

Carga apoyada

nI < 0,4.

Carga en barreno con frente libre.

=

de

(le lY (le + lr)Z

-

~

Característica de la carga. 1

de desacoplamiento

e D/d-1,72

Ondas Rayleigh predominantes distancias de las voladuras). v

.

= 1

, luego

DS

Q1/2

en el

macizo rocoso (m/s). Duración de la vibración (s). Rendimiento de transmisión de energía.

n, > 0,4. nI = Característica de impedancias explosivo/roca

-2

- 1

DS

(m).

registro (m). Densidad de la roca (kg/m3).

.

reducida.

v = K1 X

1

=

Tv = nI =

- aDS

y

de la oscilación

Amplitud

VC = Velocidad de propagación

Ondas inter!.1as predominantes (e.g., área próxima a la voladura) y medidas bajo la superficie del terreno: v

3.

-

[ Q172 ]

/

2.

Pr

Ondas internas predominantes (e.g., área próxima a la voladura) y medidas sobre la superficie: 1

=

f = Frecuencia de la vibración (Hz). DS = Distancia de la carga al punto de

= Energía específica del explosivo = Cantidad de explosivo (kg).

= Impedancia del explosivo (kg. m - 2. S - 1). = Impedancia de la roca (kg. m-2 . \)-1). = Diámetro del barreno (mm).

d

= Diámetro de la carga (mfT1).

De las

expresiones

' luego

-1/2

A(m) X e-aDS

El exponente de «O,. dependerá de la geome-

tría de la carga de explosivo, como se ha indicado anteriormente, 1/3 para cargas esféricas y 1/2 para cargas cilíndricas. Las fórmulas generales que engloban a las anteriores son, pues:

I

(MJ/kg).

ET Q le lr D..

=

\

/ ¡

anteriores

se tiene:

nI x ni x nz x ET x O X 106

4

X 1t3 X f2 X Pr X VC X DS2 X Tv

Como la duración significativa de la vibración se considera que equivale a cinco veces el período:

T

v

=5T.=-

5 'f

Y como la frecuencia de vibración del terreno estimarse con:

puede

467

'f = (kf x lag DS)

¿Cuál será la intensidad de vibración probable a una distancia de 150 m?

- 1

donde «kf" es una constante característica del terreno

"-

que influye en la reducción de la frecuencia con la distancia, Tabla 33.3.

v=-x y1O 150

TABLA 33.3

V

"-

0,4 x 0,98 x 0,85 x 4,52 x 106 5 x 0,01 x lag 150 x 11:x 2700 x 5000

x

= 0,012 mis = 12 mm/s. 6.3.

Estimadores

La ley de propagación es del tipo:

SP=Klx

Resulta que los valores de amplitud y aceleración pueden calcularse a partir de:

=

-

x ni x n2 x ET xQ x kf x lag DS x 106 20 x 11:3X p, X VC X DS2 yIQ

X

DS

\

/

de la onda aérea se acepta que

~

[ ] Q1/3

comúnmente en dB. El decibelio se define en términos de sobrepresión con la ecuación:

n, x ni x n2 x ETx106

I

"-

-K2

La componente audible de la onda aérea, que es la parte del espectro comprendida entre 20 Hz y 20 kHz y que también es conocida como «ruido», se mide

I

v(m/s)

de onda aérea

'-

0,11 - 0,13 0,06 - 0,09 0,01 - 0,03

Suelos saturados de agua Aluviones poco consolidados Roca dura y compacta

A(m) =V/n,

"-

VALOR DE kf.

TIPO DE TERRENO

SP

5 x kf x lag DS x 11:X p, X ve

NR = 20 lag

os

"-

,'-

SPo

donde: '-...

.,1 :,

...II~)

:~;,; ., ,....

I

Jl

,'/,

,~, e'=

t

.

I

~

,~\.:0'

~.. ,"

,

,

NR

=

SP SPo

= Sobrepresión (N/m2). = Presión del menor sonido que puede ser escuchado (20 . 10- 6N/m 2).

.. ;:~'

e,",",~,

l/,

'-10,00

Distancia de la voladura al punto de registro.

0:100

1z

La fórmula anterior solamente es válida cuando "DS» es mayor que 1 metro.

1.00

~ "-"

o

~

z o

-.

2j 0.001 Q:

= 4,52 MJ/kg. = 9,5 X 106 kg'

10 '

0.010 J5 E z o

105

0.001 W Q: 75

15 - 75

Velocidad (mm/s) I

En la normativa española se distinguen los siguientes tipos de estructuras:

"'O

2 - 15

11

Norma española

VELOCIDAD DE VlGnACION PICO (0101/0)

~

TABLA 33.5

Además, hay que añadir que en muy contadas ocasiones se llegan a dar recomendaciones o bases de cálculo sencillas y comprensibles por los operadores que no poseen un conocimiento profundo de la fenomenología de las vibraciones. A continuación se recogen, por su interés, los criterios de prevención recomendados en la Norma UNE 22381-93 Y la norma sueca Swedish Standard, SS 460 48 66, revisada recientemente en 1991.

Los umbrales de perturbación se establecen en función de la frecuencia principal de vibración y tipo de estructura a proteger utilizando como parámetro de medida la velocidad de partícula, aunque en el intervalo de frecuencias de 15 a 75 Hz se utilice el parámetrode desplazamiento, Fig. 33.40. En ambos casos se refiere

'-'

de vibración medido en el terreno.

...',

~+~

O

! ~'

! I l'

~~~o~~~~~~~}~1

" 100

Criterios de prevención

TIPO DE ESTRUCTURA

FACTOR Fe

1

0,28

I

..¡I,.I-r==I=l:1f1 1000

(Hz)

11 I1I

de daños.

'-

TABLA 33.7

'0"-

'--

1 3,57

'--

"-

J daños inducidos a estructuras

TABLA 33.8

J

CLASEDE FORMACION

J

J

J

---

../

FACTOR F,

0,40 1 2,52

CARGA CORREGIDA (kg) ESTRUCTURA

MACOZO

F.

se estiman con

donde:

10000,00 ROCOSO

recomendados

en diferentes

v = vD. Fk . Fd ' F,

Con el valor de Qe Y la distancia existente entre la voladura y la estructura a proteger se entra en la Fig. 33.41 para ver la región en la que se pretende trabajar, distinguiéndose tres tipos de estudios: estudio preliminar, medición de control y proyecto tipo de vibraciones.

1000,00

cimentadas

la siguiente expresión:

Dura Media Blanda

.-/

tipos de terrenos. Los niveles máximos

GRUPO F.

, " '"

DURO 0..0 MED'O , BLANDO Z."

100,00

u,, "',

,1m

11

, 1]

TI

=111

10,00

vD= Velocidad máxima de partícula vertical sin corregir. Fk = Factor de calidad de la construcción. Fd = Factor de distancia que tiene en cuenta la separación entre la voladura y el punto de registro. Ft = Factor de tiempo con el que se tiene en cuenta la duración de los trabajos con explosivos.

Los valores de velocidad máxima de partícula vertical que suelen utilizarse se recogen en la Tabla 33.9. Una estimación detallada de los mismos puede hacerse si

se conoce la velocidadde propagación«VCp» de las ondas de compresión P medida sobre el terrl3no en el que se apoyan las estructuras, utilizando la fórmula siguiente: - YS;, vD- 65

1.00

donde vDse expresa en mmls y VCo en mis.

0.10 ../

../

./

/

0,01' 1

10

100

Figura 33.41.

En este último caso se estima que la carga operante de explosivo es tan baja y la distancia suficiente como para descartar cualquier incidencia de las vibraciones. El control de vibraciones implica la medición de estas

perturbacionesen una voladura de producción, Si el

Ley general v = k . Q" .,p~ Ley cuadrática v= k. (D/'V'O/ ,/

/

Se realizarán voladuras de ensayo con diferentes cargas instantáneas y registro en posiciones distantes que cubran el área de interés. Conociendo la frecuencia dominante y el tipo de estructura, y consecuentemente el criterio de daños, con la ley de propagación se puede elaborar una tabla de cargas máximas operantes en función dE;!la distancia.

(mm/s)

18

- Gravas, arenas, arcillas, morrena suelta - Caliza blanda, pizarra blanda, morrena firme

35

- Granito, gneis, caliza dura, arenisca, cuarcita, diabasa

70

El Factor de Calidad de Construcción, FK'se obtiene como el producto del Factor de Edificación, Fb' y el Factor de Material de Construcción, Fm: FK = Fb . F m

En la Tabla 33.10 se indican los diferentes tipos de edificios que se clasifican en cinco grupos. En la Tabla TABLA 33.10

8 1

1

IConstrucciones diques portuarios defensa civil.

.

5J

TIPO DE CONSTRUCCION

pesadas como puentes, y construcciones

11,70 .

de

2

Edificios industriales y de oficinas.

1,20

3

Edificios de viviendas estándar.

1,00

0,65 grandes arcos, o construcciones con grandes paneles, por ejemplo iglesias ymuseos. Edificios históricos en estado precario, y con 0,50

4

I Edificiosespecialmentesensiblescon

5

I

Norma Sueca Los valores que se recomiendan están basados sobre un amplio conjunto de datos que correlacionan la componente vertical de velocidad de partícula y los

VO

TIPO DE TERRENO

Selección del tipo de estudio.

nivel de vibración registrado fuera menor que el criterio de prevención, podrá incrementarse progresivamente la carga hasta que las intensidades de vibración fueran ./ iguales al valo'r máximo admisible. En caso contrario se pasará a hacer un estudio preliminar de vibraciones. En los estudios preliminares se pretende conocer el ./ comportamiento sísmico del terreno mediante la definición de la ley de propagación en función de dos variables independientes como son la carga de explosivo y ./ la distancia.

"

TABLA 33.9

1000

DISTANCIA (m)

U

I

ciertasruinas.

I

U 479

'---'

TABLA 33.12

33.11 se recogen los Factores de Material de Construcción. En la elección de Fm se debe tener en cuenta que el valor elegido debe corresponder al menos resistente que esté presente en la edificación.

TIPO DE ACTIVIDAD

Ft 1,0

TABLA 33.11

- Trabajos de construcción, tales como túneles, cámaras, trincheras para carreteras, zanjas y nivelaciones. - Trabajos estacionarios, tales como los de canteras y minas

CLASE

TIPODEMATERIALDECONSiRUCCION

Fm

'----

"--0,75-1,0

1

Hormigón armado, acero, o madera

1,20

2

Hormigón en masa, ladrillo, o cementos

1,00

3

Hormigón poroso prefabricado

0,75

Una cantera de caliza se encuentra a 350 m de unos

0,65

edificios de vivLendas que se desean proteger. Las casas están cimentadas sobre rocas néisicas y cons-

4

Tabiques prefabricados

'---Ejemplo 1

"-

truidas de mampostería.

El Factor de Distancia, Fd, se puede estimar a partir de la Fig. 33.42, tomándose la menor distancia existente entre el lugar de la voladura y la estructura a proteger. == =IT --1

-- - I

2.0I

1 6

10

IT== m-rJ

-I

=--

I

-

I =--2

--

0.5

Arcilla'

50

¡'arren3S 5 -----Roca O22} :111

0.1 1

10

Figura 33.42.

100

350 DISTANCIA (m)

Factor de Distancia,

Se tendría: "--

v = Vo' Fb. Fm' Fd. Ft = 11,6 mm/s ya que: Vo = 70 Fb = 1,00 Fm= 1,00 Fd = 0,22 Ft = 0,75

Fd

"--

"-

Ejemplo 2

'----

Se desea realizar un trabajo de nivelación del terreno a una distancia de 6 m de un edificio de oficinas construido de ladrillo y cimentado sobre roca.

'-

El umbral de daños será:

Fd'

v = 70 . 1,2 . 1,00 . [1,91 . (6'028)]. 1,0 = 97,2 mm/s Alternativamente, se pueden utilizar las seis expresiones siguientes, donde la distancia se expresa en metros: 1. 2. 3. 4. 5.

6.

Fd = Fd = Fd = Fd =

1,91 1,56 1,91 2,57

. d,o.28 . d,o.19 . d,o.29 . d,o.42

Para distancias superiores a 350 m los factores son Fd = 0,22, Fd = 0,35 Y Fd = 0,50, que permiten calcular los valores Vo. Fd, 18 mm/s I?,ararocas, 15 mm/s para morrenas, y 9 mm/s para~rcillas, cuan-", do se parte de Vo = 70, 35 Y 18 mm/s respectivamente. Para distancias inferiores a 10m, pueden aparecer problemas especiales. Por ejemplo, los gases de explosión pueden penetrar en las juntas causando daños importantes a la estructura debido a los desplazamientos que provocan. Si es posible que ocurran estos problemas es necesario proceder a efectuar registros para obtener la duración de los trenes de ondas y las frecuencias dominantes para más de una componente.

El Factor de Duración del Proyecto, Ft, depende del período de tiempo a lo largo del cual se van a realizar las voladuras, Tabla 33.12. 480

"---

Otro aspecto a destacar, es el hecho de que en la mayoría de los casos los umbrales de daños se adoptan pensando en las estructuras o edificios, pero no en el contenido de los mismos. En algunas situaciones pueden existir, por ejemplo, ordenadores, relés eléctricos u otros equipos sensibles que impongan para garantizar su integridad, niveles de vibración incluso más bajos que los de las propias estructuras. En la Fig. 33.43 de Vuolio y Jhonsson (1985) se recogen algunos de estos criterios. Por último, la O.S.M. (Office of Surface Mining) de Estados Unidos en 1983, reconociendo la dependencia que existe entre la frecuencia dominante de las vibraciones y las distancias al área de las voladuras, publicó las recomendaciones de la Tabla 33.13 para proteger las edificaciones próximas a las minas. Los criterios señalados sirven no sólo como umbrales de daños, sino incluso como base de partida cuando no se dispone de equipos de registro. Pues, por ejemplo, si existe un chalet a 1000 m de distancia a la voladura, la carga máxima operante recomendada es: 1 2 OS OS '2 1000 OR

=

va

= 1666 kg.

=24,5 m/kg ;Q =

[ ] OR

=

[ 24,5

]

"-

'~

"-

"-

"-

'---

"-

"-

2=

"-

\~

-/

¿E 200

terminada sobrepresión puede estimarse ción propuesta por Redpath:

§ -.-/

5::)

100

PRc (%)

U ¡:: 50 a:

~

2.043 x 10-7 x A/.22

con la ecua-

X ~p2,78

donde:

..Jit g¡ 20 CI

(3

-./Ü

Av ~P

10

gW

J

0,5

2

5

10

20

50

Otro aspecto a tener muy en cuenta son las condiciones atmosféricas reinantes en el instante de las voladuras. En la Tabla 33.16 se recogen cinco situaciones distintas y los factores multiplicadores de la onda aérea que son previsibles.

@ 100 200 500 1000 FRECUENCIA (Hz)

~

1. Daños directos sobre los edificios de las vibracionés generadas por voladuras. 2. Límite superior recomendado para voladuras. 3. Límite superior recomendado para hinca de pilotes, com-

~

pactadores vibratorios, compactadoresdinámicos pro-

~

(m2).

Especial atención debe ponerse en la comparación de los niveles de ruido, pues los dB(L) se refieren a una escala logarítmica. Una sobrepresión de 120 dB(L) es un 78,6 % mayor que otra de 115 dB(L). Ver la Tabla 331 5 con los valores en kPa.

>

~

= Area del panel de la ventana = Sobrepresión aérea (mbar).

fundos y tráfico rodado. 4. Valor máximo para ordenadores IBM si la duración de la vibración es inferior a 5 s. 5. Valor máximo para ordenadores IBM si la duración de la vibración es superior a 5 s. 6. Límite de percepción humano.

Figura 33.43. Criterios de daños. ./

./

/

./

8.3. Criterios de prevención

de

daños por onda aérea La onda aérea implica generalmente menos problemas que las vibraciones terrestres. La rotura de cristales se puede producir antes de que se originen daños estructurales, como son por ejemplo las grietas en

enlucidos. Los criterios propuestos por Siskind y Summers (1974) para prevenir la rotura de cristales son los que se recogen en la Tabla 33.14. La probabilidad de rotura de cristales para una de-

Foto 33.6. Instalación de sonómetro para medida de onda aérea.

,.f

/

TABLA 33.13.

DISTANCIA AL AREA DE LA VOLADURA

Oa 90 m 90 a 1500 m > 1500 m

VELOCIDAD

MAXIMA DE

PARTICULA

32 25 19

(mm/s)

DISTANCIA REDUCIDA QUE SE ACONSEJA CUANDO NO SE DISPONE DE INSTRUMENTACION (m/kg1/2) 22,30 24,50 29,00

481

'

'

TABLA 33.14 LIMITES DEL NIVEL DE RUIDO '--

LINEAL PICO*

C-PICO

A-PICO

dB(L)

dB(C)

dB(A)

128

120

128 a 136

120 a 130

95 a 115

136

130

115

'---NIVEL SEGURO NIVEL DE PRECAUCION NIVEL LIMITE *

95

'----

Recomendado TABLA 33.15 SOBREPRESION 20,0 kPa

180 dB(L) > 170

'-EFECTO PROBABLE

> 6,3

-

Daños importantes en estructuras convencionales.

-

Aparición de grietas en en lucidos.

170

6,3

-

Rotura de muchos cristales de ventanas.

150

0,63

-

Rotura de algunos cristales de ventanas.

140

0,2

-

Probable

136

0,13

-

Límite de onda aérea propuesto

120

0,02

-

Quejas

115

0,0112

-

u ¡:: o: ~ 5,1

+ f2)"2

RI ESGO

50,B SEVE RO

(100

donde:

101,6 RIESGO

,50,B E

~ 25,4

1

1

PEU GRO

PELIGRO

101,6 R I ESG o

./

(100 + fl)"2

0,125 x a

0,8 v x f

1

254

PELIGRO

101,6

0,005 A x f2

K=

Fig, 33.44.

254

/

que puede daños po-

2631 Yla DIN-4150. Otros trabajos clásicos como los de Reiher-Meister, Crandell, Goldman, Rathbone, etc., presentan gráficos donde en función de la frecuencia e intensidad de vibración establecen distintos niveles de percepción, Fig. 33.45. Un procedimiento analítico de estimación es el propuesto por 8teffens (1974), que se basa en el cálculo de un parámetro «K".

Frecuencia (Hz). Amplitud máxima (¡.1m). Velocidad de partícula (mm/s). Aceleración (mm/s2).

De acuerdo con este valor de «K» se distinguen niveles de percepción de la Tabla 33.17.

2,5

APRECIABLE

= = = =

1,5 APRECIABLE

los

APRECIABLE

0,5

0,25 _m___-

0,25 '

VI BRACIONES EN REGIMEN TRANSITORIO SIN RUIDO OBSERVADORIMPARCIAL

VIBRACIONES E N REGIMEN PERMANENTE

/

Figura

TABLA 33.17.

0,25' VIBRACIONES DEBIDAS A VOLADURA ACOMPAÑADA DE RUIDO OBSERVADOR PARCIAL

VALOR DE K < 0,1 0,1 0,25 0,63 1,6 4,0 10,0

33.44. Respuesta humana a las vibraciones según vayan acompañadas o no de ruidos (Oriard). 254 203,2

~

~

NIVEL DE PERCEPCION No se siente Comienza apercibirse Escasamente perceptible Perceptible Fácilmente perceptible Fuertemente detectable Muy fuertemente detectable

~::::: E E

50,8

I

:J 25,4 ::;¡ 20,3 L

u ¡ ¡: , oc

rt

10.

15,2 10,2

w o o « o

5,1

u

o ..J w >

EFECTOS DE LAS VIBRACIONES SOBRE LOS MACIZOS ROCOSOS

1, 2,5 2,0

~1

1,5 1,0

0,5

Las vibraciones tienen un doble ámbito de actuación sobre los macizos rocosos, por un lado afectan a la integridad de las rocas o parámetros resistentes de éstas y, por otro, pueden llegar a provocar colapsos en los taludes al introducir acciones desestabilizadoras. En cuanto al primer aspecto, la velocidad crítica de vibración puede determinarse conociendo la velocidad de propagación de las ondas longitudinales en el macizo, la densidad y la resistencia a tracción de la roca.

0,25 1

2

4

6

10

FRECUENCIA

20

40

60

RT = p, X verit X VC

100

(Hz)

Verit=~

Figura 33.45. Respuestas humanas a las vibraciones según Goldrnan (1948).

Pr X VC

donde:

Así, es frecuente que en muchos proyectos los umbrales de vibración se adopten más sobre la base de la respuesta humana que sobre la probabilidad de daños. Existen numerosas normas sobre respuesta humana a las vibraciones, las dos más importantes son la 180-

RT Pr VC

= Resistencia a tracción. = Densidad del medio. -

Velocidad de propagación gitudinales.

de ,las ondas lon-

483

80 Así, para una roca con p, = 2,6 t/m

3

y VC = 4500 mis,

~ 9.--

resulta:

(mm/s)

Ved!

o ( A)

WA cOs

W=m(g-ov)

(~+e#

WA sen (~+eA)

WA2

E' WH=m. °H

Figura 33.48.

WH=m.oH

Efecto desestabilizador

(B) de las vibraciones en un bloque apoyado sobre el talud. 485

',--

11.

donde: Ch = Cohesión. Sp = Superficie

WA ~ 0 eA

= = = =

de contacto

del bloque.

Peso del bloque. Angulo del talud. Angulo de fricción. Angulo provocado por la componente longitudinal de las vibraciones.

Para el caso particular de cohesión nula y con los siguientes valores ,,~ = 32° Y cjJ= 3r» el Factor de Seguridad es 1,2, pero si actúan las vibraciones con una componente longitudinal «VH= 6 mm/s» con una frecuencia de 25 Hz "FS» pasa a ser 0,98 y se produce el deslizamiento del bloque. Según el tipo de rotura, es posible desarrollar modelos de cálculo para determinar los Factores de Seguridad para diferentes niveles de vibración o viceversa, Fig. 33.49.

-----------FACTOR

1.6

DE SEGURIDAD

SIN VOLADURAS

Hormigón en masa o de relleno

o: :J

1.2C) W U) 1.1 W

Q=

a 1.0 o: o 0.5 1-

38,20

X 10-3

x DS1.86 X K

(DS en m y Q en kg)

siendo:

K = 1,0

0.6

K = K = K = K = K =

0.7 0.6 0.5 0.4

0,16 0,3 0,7 2,3 5,5

para t = O - 4 horas » t = 4 - 24 horas » t = 1 - 3 días t = 3 - 7 días t = 7 - 10 días t = + 10 días

0,3

0.2

-F

Hormigón armado o estructural

~"-

l.

.5

2

~'-

Q = 14,55x10-3XDS1,8bxK

a 4

de explosivo

unidad

de

Reduciendo el diámetro de perforación. Acortando

la longitud

de los barrenos.

.

Seccionando iniciándolas

.

Utilizando el mayor número de detonadores o tiempos de retardo posible, con explosores secuenciales o relés de microrretardo si se su-

las cargas dentro de los barrenos e en tiempos distintos, Fig. 33.52.

pera la serie comercial cos.

80

por

de detonadores

eléctri-

60 40

LI,I

.

.1

.

15

.5

o

2

14

3

4

a. 5

10 15 io 25 30 35 40 RESISTENCIAA COMPRESION(MPa)

Figura 33.51. Niveles de vibración admisibles ~gún la resistencia del hormigón.

==I-;TT 2

14

En España, en la construcción de algunas centrales nucleares se han utilizado los siguientes criteríos:

7

5

12----13

8

16

9

17

DURIOR

RETARDO EN CARGA INFERIOR

1,1.1

FRENTE

.9 . . . . 8

:S; 100

2

3

O

4

10

1

5

11

.13 .7 12

siendQ: RC(t)= Resistencia ti~mpo «t» (MPa).

6

1

4

I,r,¡RC (t) = 100 x 15

O

b.

Hormigón de relleno vadm(mm/s)

. . . .15 . . .

.11 .3 10

w:=

FRENTE

6

.

14

15

C. adquirida

por el hormigón

tras un

Figura 33.52.

Voladuras con cargas seccionadas los barrenos.

dentro

de

487

FRENTE

'-Disponer los frentes con la mayor superficie libre posible. . Crear pantallas o discontinuidades entre las es- '-tructuras a proteger y los macizos a volar.

-

\:>}::!::::::j:::! Q.

AL TRESBOLlLLO

EN LlNEA

Al igual que con las vibraciones

terrestres,

Minimizar la carga de explosivo por unidad de microrretardo. (Ver la parte correspondiente a vibraciones terrestres). ---

-

Elegir los tiempos de retardo de modo que la voladura progrese a lo largo del frente a una velocidad inferior a la del sonido en el aire «340 mis).

I

s

Is

o

II

Is I

S

o

o

o

o

o

o

o

é0ilL~)_\\!\Jf\\)/\I)\,>-{

~\ /..--

o~.~.

"-- / \

/\rr---r'f/

~

ROCA

-

EN MOVIMIENTO

-

f

Reducir el número de barrenos con detonadores instantáneos, ya que éstos presentan menor dispersión que los números más altos de la serie.

~ ~ "M "'M

i o w a:: 5

31,5

+ ~ o

63

125

250

500

1000

2600

FRECUENCIA,

Figura 33.56.

.

4000

8000

(Hz)

Interposición de pantallas entre las voladuras y los puntos receptores.

~'~'~'~'~'

~'~'~

T 181

~'~'~

Figura 33.58. Sismograma resultante de la superposición de dos trenes de ondas iguales desfasados 40 ms.

489

'---

aplicarse el método de Monte Carlo para establecer los tiempos de salida de cada carga mediante la generación de números aleatorios y uso de las funciones de densidad de los tiempos nominales de microrretardo. Recientemente, con el desarrollo de detonadores de alta precisión, la antigua idea de conseguir la superposición o interferencias destructivas de las vibraciones, de forma tal que los picos y los valles de dos ondas se anulasen, y así disminuir las vibraciones, ha tomado cuerpo y constituye un campo en el que las investigaciones están dando sus frutos. El uso de tales accesorios electrónicos junto con el empleo de explosores secuenciales permiten obtener una infinidad de combinaciones. La simulación de los resultados que se pueden obtener en las mismas facilita la elección de la más interesante para disminuir el nivel de vibración o controlar la frecuencia resultante. En la Fig. 33.59 se representan los resultados de variación del tiempo de retardo, con incrementos de 1 ms, en la superposición de dos señales. Como puede observarse el retardo de 15 ms es el que proporciona la menor velocidad máxima de vibración.

De igual forma, se realiza el análisis espectral de Fourier, determinándose las frecuencias dominantes que se generarían. En la Fig. 33.60 pueden verse dos simulaciones correspondientes a una voladura de una "fila y a otra múltiple donde se estudian distintos intervalos de retardo, múltiplos de 2 ms y 3 ms respectivamente. Cada fila del gráfico representa el espectro de fre- "-cuencias, con lo que puede determina~se la secuencia teórica óptima para evitar en una voladura con geometría prefijada las bajas frecuenci.as, que como ya se ha indicado son las más peligrosas.

Los dos casos siguientes:'A)

que se representan

son los

Fila de 4 barrenos con incrementos de 2 ms entre ~~~,

B)

'-

~

Dos filas de 4 barrenos, con 72 ms de retardo entre barrenos en fila, y 3 ms de incremento entre filas.

'--

'-.

\..

~

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

"-

" 8. ~-

"

-8 . "., 1;;. Ex

~

~ .-............-

- .-. --...-.. .-. ... .- ..-......-...

.1

-

---

r 0,00

J 0,06

J 0,12

T (8)

"

.s

J 0,18