Por: I. Bravo, Principal Geotechnical, Geosinergia.

Presentado en el 8° Simposio Peruano de Geoingeniería.

Resumen

Este artículo examina los avances en el monitoreo de vibraciones mediante tecnología inalámbrica, destacando su aplicación en minería e ingeniería civil. Los métodos tradicionales con cables, aunque efectivos, están limitados por su complejidad de instalación y mantenimiento. Los sistemas inalámbricos, como los desarrollados en este documento, ofrecen una solución flexible y económica con transmisión continua de datos y monitoreo en tiempo real, además de baja vulnerabilidad a la exposición de daños y servicios de mantenimiento, pues son autónomos en cuanto a energía y transmisión inalámbrica de los datos recolectados en campo. 

Estos sistemas proporcionan mediciones de alta resolución sobre la velocidad y el desplazamiento de las vibraciones, mejorando la capacidad para detectar problemas estructurales de manera oportuna. El documento resalta los beneficios del monitoreo inalámbrico, incluidos la reducción de costos operativos, la mejora en la seguridad y el aumento de la eficiencia, convirtiéndolo en una herramienta valiosa para aplicaciones geotécnicas modernas.

Palabras clave: tecnología inalámbrica, monitoreo, vibraciones.

Introducción

El monitoreo de vibraciones es esencial para asegurar la integridad estructural y la seguridad en las operaciones mineras, tanto en minería superficial como subterránea, así como en proyectos civiles. Tradicionalmente, se ha basado en sismógrafos y otros instrumentos cableados que, aunque efectivos, presentan ciertas limitaciones en cuanto a su implementación y mantenimiento.

Por otra parte, también se ha utilizado sensores tipo geófonos portables, los cuales se disponen en campo junto a baterías portables, luego de lo cual y sucedido un evento de voladura, se retira el equipo y procede a bajar los datos con algún computador, retirando finalmente este de campo y comenzar a prepararlo para llevarlo y moverlo a otro punto de monitoreo de similar dinámica del antes realizado.

Los métodos tradicionales no siempre permiten una recolección de datos permanente, limitando la capacidad de respuesta rápida ante eventos críticos. La dependencia de infraestructura física y la necesidad de realizar lecturas manuales periódicas también aumentan el riesgo de errores humanos, comprometiendo la seguridad y la eficiencia operativa.

Los sistemas de monitoreo inalámbrico de vibraciones están emergiendo como una alternativa poderosa y complementaria a los métodos tradicionales. Ofrecen ventajas como facilidad de instalación, flexibilidad operativa y capacidad de proporcionar datos de manera constante. Los sistemas inalámbricos, como los desarrollados por Loadsensing, utilizan sensores avanzados que pueden desplegarse rápidamente en diversos entornos, mejorando la eficiencia y la calidad del monitoreo de vibraciones. Estos sistemas no solo complementan los métodos tradicionales, sino que en muchos casos pueden servir como la principal herramienta de monitoreo para este tipo de variable. La capacidad de transmitir datos de manera continua permite una supervisión constante del estado estructural y las condiciones operativas de infraestructuras cercanas o colindantes a zonas de voladuras, facilitando la detección temprana de problemas y la implementación de medidas correctivas. Además, los modos de configuración, como PPV y MTVV, posibilitan ajustar el enfoque del monitoreo, ya sea para evaluar la salud estructural de los activos o el confort de las personas. Estos sistemas permiten monitorear el campo lejano de cualquier voladura y efecto, además de zonas de altas aceleraciones que pudieran generar ciertas tipologías de actividades civiles, las cuales generen altos PPV poco tolerables para infraestructura crítica de las minas.

Análisis dinámico con acelerómetros, sismógrafos y vibrómetros

En el monitoreo de minas, los acelerómetros, sismógrafos y vibrómetros tienen roles específicos que se complementan entre sí. Los acelerómetros miden la aceleración causada por eventos dinámicos como sismos y vibraciones de maquinaria, proporcionando datos que, aunque útiles, requieren procesamiento adicional para convertir la aceleración en desplazamientos. Los sismógrafos detectan y registran ondas sísmicas de gran escala, capturando información valiosa sobre eventos sísmicos y su impacto en el terreno. Sin embargo, los vibrómetros destacan por su capacidad para medir directamente la velocidad y el desplazamiento de las vibraciones, ofreciendo una evaluación precisa y continua de las vibraciones inducidas por maquinaria, explosiones y otras actividades. Esta capacidad de medición directa y detallada permite a los vibrómetros identificar y evaluar problemas estructurales potenciales con mayor precisión, lo que los convierte en una herramienta superior para el monitoreo en tiempo real y la gestión de la estabilidad del suelo en minas. Su habilidad para proporcionar datos específicos y continuos sobre las vibraciones permite una respuesta más ágil y eficaz, mejorando significativamente la seguridad y la integridad estructural en las operaciones mineras.

Descripción del método moderno

El método moderno de monitoreo de vibraciones se basa en la tecnología inalámbrica, que permite la recolección constante de datos de manera automática y remota. Este enfoque combina la simplicidad de instalación con la capacidad de transmitir información en tiempo real, lo que optimiza la detección de anomalías y facilita la toma de decisiones para mantener la estabilidad estructural en proyectos geotécnicos complejos.

Flexibilidad y facilidad de instalación

Los sistemas inalámbricos de monitoreo de vibraciones, se destacan por su facilidad de instalación y flexibilidad. A diferencia de los sismógrafos tradicionales, que requieren una infraestructura cableada extensa y complicada de implementar, estos pueden instalarse rápidamente en diversos entornos, desde estructuras en superficie como activos en minería subterránea. Esta flexibilidad permite un despliegue más eficiente y menos intrusivo, reduciendo costos y tiempos de instalación.

Monitoreo continuo

Una de las principales ventajas de los sistemas inalámbricos es su capacidad para ofrecer monitoreo continuo. Los sensores inalámbricos transmiten datos de vibración proporcionando información constante sobre el estado estructural y las condiciones operativas de la infraestructura.

Esto es crucial para identificar y mitigar rápidamente cualquier problema potencial, mejorando la seguridad y la eficiencia operativa, cumpliendo lo indicado la normativa correspondiente.

Implementación y funcionamiento

La implementación de los sensores sigue cuatro etapas: instalación, posicionándolos estratégicamente; configuración y conectividad, para transmitir datos de manera segura; reconfiguración, ajustando modos como PPV o MTVV según sea necesario, y monitoreo y análisis de datos, donde la data se procesa para tomar decisiones informadas y rápidas.

Instalación de sensores inalámbricos

La implementación de sistemas inalámbricos de monitoreo de vibraciones comienza con la instalación de sensores en puntos críticos dentro de la operación minera o proyecto civil. Estos son compactos y pueden instalarse en diversas configuraciones, ya sea en túneles, taludes, estructuras de soporte, edificios o superficies abiertas. La ausencia de cables simplifica significativamente el proceso de instalación, permitiendo una implementación rápida y eficiente, incluso en áreas de difícil acceso. Gracias a los sensores triaxiales en 90° y sin cables, es posible una instalación tanto en una superficie horizontal como vertical.

Configuración y conectividad

Una vez instalados, los sensores inalámbricos se configuran para transmitir datos a través de redes de comunicaciones robustas y seguras. Utilizan tecnología LoRa para asegurar una transmisión de datos fiable a largas distancias, incluso en entornos subterráneos. Los datos recogidos por los sensores se envían a un concentrador de datos, pudiendo ser visualizados en software de monitoreo tales como T4G u otros, donde pueden ser visualizados y monitoreados por los ingenieros y técnicos responsables.

Modos de configuración y reconfiguración

Los sistemas inalámbricos permiten una configuración flexible de los modos de operación. A través del concentrador de lecturas, es posible interactuar con los sensores para cambiar su modo de operación, como Peak Particle Velocity (PPV), que se enfoca en la salud estructural del activo, a Maximum Transient Vibration Value (MTVV), que se centra en el confort de las personas. Además, se puede ajustar la frecuencia con la que los sensores reportan los peaks de los eventos analizados. Esta capacidad de reconfiguración mejora la flexibilidad y adaptabilidad del sistema a diferentes necesidades operativas y condiciones del sitio.

Monitoreo y análisis de datos

El sistema permite el monitoreo continuo de las vibraciones, con los datos recolectados y analizados periódicamente. Los datos se pueden procesar mediante software especializados, que pueden generar alertas automáticas cuando se detectan anomalías o patrones de vibración que podrían indicar problemas estructurales. Este análisis permite a los equipos de operaciones tomar decisiones rápidas y basadas en datos, mejorando la capacidad de respuesta ante situaciones potencialmente peligrosas.

Caso de estudio: implementación en proyecto Puerto con Mini TBM

En el proyecto de construcción del túnel Emisario un Puerto en El Pacífico de Chile, se implementó un sistema inalámbrico de monitoreo de vibraciones para evaluar los efectos estructurales y el confort humano durante la excavación con una tuneladora Tunnel Boring Machine (TBM), la cual generó varios efectos sobre su entorno, especialmente en una infraestructura crítica donde operaba con personal en su interior. Este caso práctico ilustra cómo los sensores inalámbricos pueden instalarse en un entorno geotécnico complejo para obtener datos precisos en tiempo real.

Instalación y configuración

Sensores utilizados: se instalaron dos sensores de vibración en los puntos críticos del túnel, configurados en los modos PPV y MTVV. Uno fue instalado cerca de la superficie para monitorear las vibraciones potencialmente dañinas para las estructuras adyacentes, mientras que el otro se colocó en el túnel para medir los niveles de vibración que pudieran afectar el confort humano.

Configuración de datos: los sensores fueron configurados para transmitir datos de forma continua a la plataforma CMT Edge mediante tecnología LoRa. Los ingenieros a cargo pudieron acceder a los datos de vibración en tiempo real y ajustarlos según las necesidades del proyecto.

Resultados

Los resultados obtenidos abarcan la velocidad de vibración, frecuencia de vibración y niveles de ruido, tomando como referencia el mes de marzo de 2024. En total, se recolectaron 18,440 muestras en cada uno de los ejes durante el periodo de monitoreo.

Resultados obtenidos de velocidades de vibración, frecuencia de vibración y niveles de ruido

Velocidades de vibración (PPV): los datos recolectados por el vibrómetro configurado en modo PPV mostraron que las velocidades de vibración no superaron los 4 mm/s, cumpliendo con las normas Alemana DIN 4150-3 y Británica BS7385-2 para evitar daños estructurales.

A continuación, se presenta la Figura 2 correspondiente a las mediciones de la velocidad de vibración, registradas a lo largo del marzo de 2024.

Se observa en la Tabla 1, de una totalidad de 18,440 datos obtenidos en cada uno de los ejes, las velocidades obtenidas en la dirección X e Y, se hayan en conjunto el 100% por debajo de los 4mm/s, las velocidades obtenidas en dirección del eje Z presentan un comportamiento similar, salvo por algunos valores apartados que no superan el 1%.

Frecuencia de vibración: las frecuencias de vibración oscilaron entre 10 y 50 Hz, observándose picos en las horas de mayor actividad operativa. Durante las noches, las vibraciones disminuyeron debido a la reducción de la actividad de maquinaria pesada. A continuación, se presenta la Figura 3, correspondiente a las mediciones de frecuencia de vibración, registradas a lo largo de marzo de 2024.

Se observa en la Tabla 2, de una totalidad de 18,440 datos obtenidos en cada uno de los ejes, la concentración de los datos se hayan preferentemente en las frecuencias menor a 10 Hz. En el intervalo de 10-50 Hz, las frecuencias predominantes en X e Y son bajas y no superan el 4% de los datos. Para el caso del eje Z las frecuencias registradas en este intervalo comprenden el 41% de los datos y es la predominante en este grupo. Para el intervalo 3 las frecuencias entre los 50-100 Hz no superan el 1%.

Niveles de ruido (MTVV): en cuanto al confort humano, los datos indicaron que las vibraciones en los ejes X e Y estaban por debajo de 65 dB, lo que significa que no eran perceptibles por las personas. Sin embargo, en el eje Z, el 4% de las mediciones superaron los 75 dB, lo que se atribuyó al uso de maquinaria pesada. A continuación, se presenta la Figura 4 correspondiente a las mediciones de MTVV, registradas a lo largo de marzo de 2024.

Se pueden observar una aparición más recurrente de los picos de vibración en la componente vertical en comparación a sus ejes conjugados, marcando una dirección preferente en la recepción del ruido. Se observa una alta cantidad de concentración de picos de vibración sobre la norma establecida. Esta consideración puede deberse a la presencia de máquinas que pueden estar en el sector trabajando y estén generando esta alta saturación. En la Tabla 3 se observa el resumen de los datos, los cuales indican niveles de vibración aceptables para la norma ISO 2631-2 en dirección del eje X e Y, mientras que en dirección del eje Z, existe un 4% de los datos que sobrepasan los límites establecidos y podrían estar relacionados a una fuente de vibración continua, sobrepasando en algunas instancias los 80 dB.

Datos de alta calidad y resolución

Los sistemas inalámbricos de monitoreo de vibraciones proporcionan datos de alta calidad y resolución, comparables con los obtenidos por los sistemas tradicionales. La capacidad de recolectar y transmitir datos frecuentemente permite un análisis detallado y preciso, facilitando la detección temprana de problemas y la implementación de medidas correctivas.

Reducción de costos operativos

El uso de sistemas inalámbricos puede reducir significativamente los costos operativos asociados con el monitoreo de vibraciones. La eliminación de cables y la simplificación de la instalación y mantenimiento resultan en menores costos de mano de obra y material. Además, la capacidad de monitorear continuamente reduce la necesidad de inspecciones manuales frecuentes, optimizando el uso de recursos y mejorando la eficiencia general.

Mejora en la seguridad y eficiencia

La implementación de sistemas inalámbricos mejora la seguridad al permitir una supervisión constante y a distancia, minimizando la exposición del personal a condiciones peligrosas. Además, la capacidad de recibir alertas sobre cualquier anomalía en las vibraciones a través de los software especializados facilita una respuesta rápida y eficaz, protegiendo tanto a los trabajadores como a las infraestructuras críticas.

Conclusiones

1. El monitoreo de vibraciones utilizando tecnología inalámbrica en el proyecto Puerto en El Pacífico de Chile demostró ser una herramienta eficaz para garantizar la seguridad estructural y el confort humano durante la construcción del túnel. Los datos recolectados en tiempo real permitieron identificar picos de vibración que, de no haber sido monitoreados, podrían haber ocasionado problemas estructurales o molestias al personal. Los sensores inalámbricos no solo proporcionaron datos precisos, sino que su instalación fue sencilla y no interrumpió las operaciones. La flexibilidad del sistema, junto con la capacidad de reconfiguración de los modos de monitoreo, permitió una adaptación continua a las condiciones cambiantes del proyecto. Este caso práctico demuestra los múltiples beneficios de los sistemas de monitoreo inalámbrico de vibraciones, que incluyen: mayor precisión en la medición de vibraciones, reducción de costos operativos gracias a la simplicidad de la instalación, mejora de la seguridad y eficiencia operativa. La tecnología inalámbrica se consolida, así como una solución moderna y eficaz para el monitoreo geotécnico en proyectos de infraestructura complejos.

2. El monitoreo inalámbrico de vibraciones representa un avance significativo en la geotecnia aplicada a la minería y proyectos civiles. Estos sistemas modernos han demostrado poder convivir con sistemas tradicionales, así como ser la herramienta principal para un monitoreo continuo y frecuente. Esto permite una comprensión más completa del comportamiento estructural y una respuesta más rápida ante cualquier cambio en las condiciones operativas, mejorando la seguridad general de las operaciones.

3. La automatización de estos sistemas reduce la necesidad de intervenciones manuales, disminuyendo los riesgos para el personal y optimizando los procesos de mantenimiento. La información detallada y precisa proporcionada por estos sistemas permite tomar decisiones informadas y reduce los costos operativos, contribuyendo a la eficiencia y sostenibilidad de las operaciones mineras y civiles.

4. La adopción de tecnologías avanzadas como los nuevos sistemas inalámbricos de monitoreo de vibraciones no solo mejora la precisión y profundidad del monitoreo geotécnico, sino que también aporta beneficios significativos en términos de seguridad, eficiencia operativa, sostenibilidad y competitividad. Estos sistemas son esenciales para garantizar que las operaciones modernas e inteligentes se realicen de manera segura, eficiente y responsable, respondiendo a las demandas crecientes del sector y asegurando la integridad estructural de las infraestructuras críticas.

Bibliografía

Geosinergia Ingeniería y Medio Ambiente LTDA. 2024. Consolidado mensual de instrumentación geotécnica: Informe consolidado mensual N° 1.