Los sensores de fuerza de HBM miden el impacto de las olas en las barreras contra inundaciones

La subida del nivel del mar hace cada vez más apremiante la necesidad de construir barreras contra las inundaciones. Un aspecto muy importante dentro del desarrollo de este tipo de construcciones es la medición del impacto de las olas contra las estructuras. Durante el verano de 2018, en el Laboratorio de Mecánica de Fluidos de la Escuela de Ingeniería de Obras Públicas de la Universidad Técnica de Delft, el brasileño Ermano de Almeida llevó a cabo un proyecto destinado a medir el impacto de las olas sobre las barreras contra inundaciones con voladizo. Para ello utilizó transductores de fuerza de HBM. En el proyecto también participaron otros colaboradores, como la Organización para la Investigación Científica de los Países Bajos (NWO), Rijkswaterstaat, Witteveen+Bos, PT Structural o Deltares, el instituto neerlandés del conocimiento y la innovación para las aguas y el subsuelo. Los resultados de esta investigación serán relevantes para el desarrollo de nuevas estructuras hidráulicas mejoradas, como los puntos de descarga del dique Afsluitdijk.

Problema: Las inundaciones y la rotura de los diques están causando problemas y daños considerables en todo el mundo. 
Solución: Un estudio se dedica a recopilar nueva información sobre la potencia de impacto de las olas y ayudará a construir estructuras más robustas y seguras sin necesidad de sobredimensionarlas, como puede ocurrir en la actualidad. 
Resultados: Los datos en bruto de las pruebas físicas se procesarán y analizarán. El resultado aportará información valiosa para el diseño y la construcción de nuevas barreras contra inundaciones.

Medición de la fuerza del impacto de las olas sobre estructuras verticales

En la actualidad, Ermano de Almeida está estudiando el impacto de las olas en modelos de barreras contra inundaciones construidos en acero, como parte de la investigación de su doctorado en el departamento de Ingeniería Hidráulica de la Universidad Técnica de Delft. Estudió Ingeniería Civil en Madrid y Aquisgrán y obtuvo su título de máster en la TU Delft. Cuando se le presentó la oportunidad de llevar a cabo un proyecto de investigación dedicado a las barreras contra inundaciones, no se lo pensó dos veces. Y no solo porque el proyecto le pareciera interesante desde un punto de vista teórico y práctico, sino porque la gestión y el control del agua es uno de los retos más importantes a los que nos enfrentaremos durante las próximas décadas.

La investigación de De Almeida se centra en las estructuras hidráulicas verticales de acero y hormigón. Este tipo de estructuras son frecuentes en los puertos y en las esclusas y puntos de descarga de agua. También abundan en las barreras contra inundaciones neerlandesas, a lo largo de la costa del mar del Norte. Se emplean conjuntamente con otras instalaciones hidráulicas y mecánicas para cerrar los puntos de descarga de agua o las vías navegables cuando sube la marea o hay marejada. Como barreras contra inundaciones, este tipo de construcciones resultan idóneas para los puntos en donde deben abrirse compuertas para permitir el paso de agua y el transporte fluvial, y permanecer cerradas para ofrecer protección frente a las inundaciones en caso de tormenta.

El objetivo del estudio consiste en medir la fuerza de impacto de las olas sobre las estructuras verticales. Estas fuerzas son especialmente intensas en las estructuras verticales con voladizo, ya que el impacto de la ola no se puede desviar hacia arriba. De hecho, esto también incrementa la presión sobre la sección vertical de la estructura. Además, las olas ejercen una enorme fuerza sobre el voladizo. Este voladizo puede ser, por ejemplo, un borde de protección de hormigón instalado en la parte superior de la barrera contra inundaciones o el techo de la abertura de la que quedan suspendidas las divisiones. De Almeida encuentra muy interesante el estudio de las consecuencias de la resonancia y las vibraciones de las planchas de metal para la vida útil de la estructura y los materiales empleados, teniendo en cuenta que las planchas son relativamente delgadas y están sometidas a cargas enormes.

“No es frecuente que este tipo de estructuras hidráulicas fallen, pero se han dado varios casos en los que se han producido situaciones peligrosas —e incluso fallos estructurales— debido a la falta de un conocimiento claro de las características de la carga y la respuesta estructural. Si contamos con más información sobre la potencia de impacto de las olas, podremos construir estructuras más robustas y seguras sin necesidad de sobredimensionarlas, como puede estar ocurriendo en la actualidad. En consecuencia, ahorraremos tiempo, materiales y dinero durante la construcción. Puede que incluso que esta investigación contribuya a desarrollar nuevas formas de construir este tipo de barreras contra inundaciones.”

Cuenca de agua y sensores de fuerza

Los ensayos se llevaron a cabo en el Laboratorio de Mecánica de Fluidos de la TU Delft. Este centro cuenta con una superficie de aproximadamente 5000 m², de los cuales 1700 m² se destinan a la realización de experimentos. Dispone de ocho canales de agua para experimentos que pueden suministrar un caudal de agua de 2 metros cúbicos por segundo. Los experimentos de De Almeida se llevaron a cabo en uno de los canales de agua más grandes del laboratorio, con 42 m de largo, 80 cm de ancho y 1 m de profundidad. Al final del canal se instaló un sólido bloque de hormigón de 80 x 80 x 100 cm sobre el cual se integró una plancha de aluminio de 1 cm de grosor consistente en secciones de aluminio. Se instaló una hilera de nueve transductores de fuerza U3 de HBM con fuerza nominal de 1,0 kN entre el marco de aluminio y la plancha de metal. HBM recomendó a los investigadores que utilizasen estas células de carga concretas porque están fabricadas con acero inoxidable, son inmunes a los efectos de la temperatura y, en consecuencia, son idóneas para esta prueba en presencia de agua. De hecho, poseen una elevada rigidez intrínseca, compensan los momentos de flexión y son insensibles a las fuerzas laterales. Por todo ello, ofrecen resultados de medición muy fiables.

Los sensores están conectados a amplificadores de medición desarrollados por la propia TU Delft. El impacto de las olas se registró con una frecuencia de muestreo de 5000/s. De Almeida podía ver los datos de medida en tiempo real en la pantalla de un monitor que mostraba la altura de las olas y su impacto sobre la estructura. La configuración era flexible, de modo que podía ajustar la altura de la plancha de metal, las dimensiones del voladizo y la ubicación de los sensores de fuerza.

En el canal de agua se crearon una serie de olas regulares e irregulares mediante un generador de olas. Este generador cuenta con un sistema activo de compensación de la reflexión, que neutraliza las olas de retorno para que no afecten a los datos de medición. Ocho sensores, que medían las características de las olas, pendían a aproximadamente cuarenta centímetros del agua unos pocos metros por delante de la plancha de metal. Tres cámaras grababan imágenes de las pruebas; de este modo, cuando se obtenían resultados de medición especiales, se podían asociar a las imágenes correspondientes.

Las esclusas de descarga del dique Afsluitdijk: el referente

Durante el diseño de las instalaciones del ensayo, se tomaron como referencia inicial las esclusas de descarga de IJsselmeer en el dique Afsluitdijk, ya que los tipos de olas evaluadas durante el estudio y su impacto se parecían en gran medida a las que se pueden observar en estas estructuras. Existen aliviaderos en la parte inferior del dique que se cierran con compuertas de acero cuando la marea sube o hay tormenta. Durante las tormentas, las olas que golpean las compuertas en los aliviaderos debajo de la viga horizontal de la barrera se bloquean de manera brusca y, en consecuencia, ejercen una enorme fuerza sobre la estructura. Esta estructura fue diseñada hace 80 años y en la actualidad está siendo objeto de una renovación, junto con la totalidad el dique Afsluitdijk. De Almeida también quiere aplicar los conocimientos desarrollados durante su investigación a otras partes del mundo, como Estados Unidos. Desde allí se siguen los resultados del estudio con mucho interés, dadas las graves inundaciones que sufre el país y el prestigio de la TU Delft en el campo de la ingeniería hidráulica.

Contáctenos Contacte con HBM si desea saber más sobre lo que HBM le puede ofrecer.