Primera renovación general en 2012
Tras ocho años de funcionamiento sin ningún mantenimiento digno de mención, la báscula tuvo que ser renovada en abril de 2012. Las vigas de acero estaban dobladas y la placa se había desgastado por la fricción y los impactos de piedras. “Existía una posibilidad de perforación de la placa, con la consiguiente destrucción de las células de medición de fuerzas situadas debajo”, continúa Fritschi.
La renovación fue exhaustiva: primero, el equipo tuvo que desviar el Illbach y crear rutas de acceso para la excavadora. Después vino el trabajo propiamente dicho de reemplazar la placa de acero y las vigas. Por otra parte, los científicos querían seguir usando la misma tecnología de medición. Para ello se montaron los acoplamientos elastómeros y las células de medición en una nueva estructura de acero.
Antes de que el equipo colocara la nueva placa de acero en la estructura, comprobaron las células de medición en ausencia de carga. Para hacerlo, pesaron la estructura de acero y la placa de cubierta por separado y compararon los datos con los valores de medición registrados al principio del proyecto.
"Sospechábamos que el punto cero de las dos células de medición había variado a lo largo de los años”, comenta Fritschi, al explicar el proceso. “Y, en efecto, los valores tenían una desviación de 10 toneladas; sin embargo, los resultados demostraron que esa desviación era constante y pudimos incluirla en los resultados muy fácilmente. Eso significa que pudimos continuar usando las células de medición antiguas”. De hecho, en un principio no fue posible cambiarlas porque los pernos de anclaje que las fijaban en posición no podían quitarse.
Seis meses después, tras la temporada de deslizamientos de verano, los científicos pudieron finalmente quitar las células de medición —con un esfuerzo considerable— para probarlas en el laboratorio y corregir desviaciones, o incluso reemplazarlas si estaban defectuosas. Las células de medición volverán a instalarse en la báscula en la primavera de 2013. Fritschi concluye: “Queremos continuar con la investigación aquí en Illgabren unos cuantos años más, puesto que todavía no comprendemos todos los procesos físicos de un deslizamiento de tierra".
Células de carga de HBM
Medición de fuerzas extremas durante los deslizamientos de tierra
Los deslizamientos de tierra arrastran toneladas de desechos, barro y agua montaña abajo, en dirección a los valles. Para comprender mejor las fuerzas que actúan en los deslizamientos de tierra, el Instituto Federal Suizo de Investigación WSL usa una báscula especial con tecnología de medición de HBM.
"Cuando uno ha visto un deslizamiento de tierra precipitándose montaña abajo, no olvida fácilmente el ruido atronador que produce”, afirma la Dra. Yolanda Deubelbeiss, científica del Instituto Federal Suizo de investigación WSL.
Los deslizamientos de tierra son frecuentes en las zonas de montaña cuando se producen precipitaciones fuertes —o cuando están recientes— y en épocas de deshielo. Cuando los materiales sueltos se saturan de agua, empiezan a deslizarse y, por el camino arrastran más desechos. El deslizamiento arrastra también árboles y piedras hacia el valle, a menudo siguiendo el curso de arroyos o barrancos, a velocidades de varios metros por segundo, con efectos devastadores para todo lo que encuentra a su paso. “Es aún más peligroso si el deslizamiento de tierra se sale del curso del arroyo, porque entonces puede causar daños importantes en edificios, puentes y carreteras”, explica la geóloga.
Los mapas de riesgos indican la gravedad del riesgo en un área y el potencial de daños. Estos mapas se basan en parte en los resultados de simulaciones por ordenador en escenarios definidos, pero también —lo cual es más importante— en observaciones de campo y en datos de daños producidos por deslizamientos anteriores. Conocer estos riesgos tiene repercusiones, por ejemplo, en el desarrollo urbanístico. También puede llevar a la construcción de barreras y diques o a la ampliación del lecho de los ríos. “Las simulaciones por ordenador solo permiten llegar a conclusiones teóricas sobre el comportamiento de un deslizamiento de tierra".
“Para proteger mejor a la población frente a estas fuerzas telúricas necesitamos conocer más a fondo lo que ocurre dentro del deslizamiento. Con ello, podemos refinar nuestros modelos por ordenador y conseguir que reflejen de forma más realista los procesos naturales”, explica la Dra. Deubelbeiss. De este modo puede ser más fácil predecir, por ejemplo, cuántos ramales se podrían desviar de la corriente principal de un deslizamiento.
Pesar los deslizamientos de tierra
Con este objetivo en mente, el Instituto Federal Suizo para la Investigación de los Bosques, la Nieve y el Paisaje (WSL) construyó una estación de observación de deslizamientos de tierra en el año 2000 en Illgraben, un torrente de desechos situado en el cantón de Wallis, en plenos Alpes suizos. “La ubicación es perfecta para medir los procesos naturales, porque Illbach es uno de los torrentes de montaña más activos de los Alpes suizos y todos los años registra varios deslizamientos de tierra” explica la Dra. Deubelbeiss. En 2004, la báscula de pesaje de deslizamientos se complementó con una videocámara, sensores ultrasónicos e instrumentos de medición por radar. “La báscula nos ayuda a entender mejor los procesos físicos que se producen en el interior de los deslizamiento de tierra, en lugar de limitarnos a observarlos desde el exterior”, prosigue la científica. Según el instituto de investigación, este proyecto ha sido el primero en su clase en el mundo, y es también el más grande.
Mediciones de fuerzas desacopladas
Los científicos instalaron la báscula en la cimentación de hormigón de un puente. La cimentación tiene forma en U, con el fondo plano, y cubre el lecho del arroyo. La báscula en sí se encuentra en el interior de la cimentación. Una placa de acero de 8 metros cuadrados, 12 milímetros de espesor y 300 kg de peso se apoya sobre una estructura de acero compuesta por secciones HEB360 (2800 kg) que, a su vez, descansan sobre las células de medición.
"No fue sencillo construir una báscula capaz de medir fuerzas dinámicas tan enormes. Un deslizamiento de tierra está en movimiento constante. No se detiene para que nosotros lo pesemos”, dice Bruno Fritschi, experto en tecnología de medición del WSL. Para representar las fuerzas de un deslizamiento, la báscula registra las fuerzas verticales normales; es decir, las fuerzas que ejercen presión sobre el terreno desde arriba. También determina simultáneamente las fuerzas horizontales de cizalla, o sea, las cargas que produce el movimiento de avance de los materiales. Asimismo se mide la profundidad y velocidad de la corriente y la presión del agua intersticial. “En primer lugar combinamos estos datos puntuales para obtener un panorama realista de las fuerzas que intervienen en un deslizamiento de tierra. Esta interacción es, precisamente, el reto más difícil para la tecnología de medición porque los valores tienen que representarse desacoplados entre sí”, explica Fritschi. “Esa es la razón por la que decidimos usar transductores de fuerza de HBM. Sus productos no solo nos permiten hacer medidas precisas sino que también son capaces de medir la fuerza vertical sin que las fuerzas horizontales afecten al resultado".
Un aspecto crítico de esta operación es la transferencia de fuerza desde la placa de acero a la célula de carga (tipo C2, 50 TM), a través de un acoplamiento elastómero. Estos acoplamientos elastómeros tipo ZEL consisten en varias placas de acero y caucho superpuestas y unidas entre sí mediante vulcanización. Cuando transfieren una fuerza, la parte elástica elimina prácticamente el peso horizontal, con lo que las distintas capas se mueven de manera que los efectos de las fuerzas laterales no se transfieren a la célula de carga. Además, dos Células de carga U2A contribuyen también a absorber la fuerza horizontal del deslizamiento de tierra (20 toneladas métricas), minimizando las derivaciones de fuerza con manguitos de acoplamiento.
Resistencia a impactos violentos
Para hacerse una idea la magnitud de las fuerzas involucradas, baste decir que los científicos miden los resultados en toneladas métricas. “La tecnología de medición empleada no solo tiene que proporcionar resultados precisos sino también soportar impactos muy violentos”, prosigue Fritschi. “Las grandes piedras que arrastran los deslizamientos ruedan sobre la báscula a gran velocidad, produciendo impactos. Los transductores de fuerza deben ser capaces de soportar estas cargas masivas. No podemos construir ninguna protección contra sobrecargas; el deslizamiento de tierra simplemente pesa lo que pesa".
De acuerdo con las mediciones realizadas hasta ahora en Illgabren, ese peso puede llegar alcanzar cargas de compresión de 40 toneladas métricas, que se desplazan a velocidades de hasta 6 metros por segundo. Los acoplamientos elastómeros montados con los sensores de HBM absorben estas fuerzas. Ahora bien, las fuerzas no son el único reto tecnológico: los equipos también deben funcionar de manera fiable en un entorno extremo. “La báscula está rodeada de barro y agua. Hace frío en invierno y calor en verano. El sistema se mantiene seco, pero las condiciones de medición son extremadamente duras”, añade Fritschi.