Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

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1 EFECTO DE LAS VIBRACIONES AMBIENTALES Y FORZADAS SOBRE LAS ESTRUCTURAS Y LOS HUMANOS Marco Antonio Escamilla García 1, A Gustavo Ayala Milián 2, Herlindo Méndez Romero 3 y Octavio García Domínguez 4 RESUMEN El interés de conocer los efectos de las vibraciones en las estructuras y sus usuarios se ha incrementado en los últimos años; sin embargo, el efecto de la vibración en humanos es un fenómeno muy complejo y en la actualidad hay poca información fiable sobre la influencia en su salud y su confort. Debido a esto en el presente artículo se hace una revisión de la normativa internacional especializada respecto a los niveles de tolerancia en las estructuras y en los humanos. Finalmente, para ilustrar la influencia de las vibraciones forzadas y ambientales en la salud estructural y en los usuarios se presenta un ejemplo de la super-estructura de una plataforma marina donde se detectaron vibraciones anómalas que afectaron la actividades de sus operarios. ABSTRACT The interest in knowing the effects of vibration on the structures and their users has increased in recent years; however, the effect of vibration on humans is a very complex phenomenon and today there is little reliable information about their influence in their health and comfort. Because of this, in this paper a review of specialized international regulations regarding tolerance levels in structures and in humans is done. Finally, to illustrate the influence of forced and environmental vibrations in the structural health and users an example of the super-structure of an offshore platform, where abnormal vibrations that affected the activities of its workers were reported. INTRODUCCIÓN En la actualidad el monitoreo de la salud estructural, evaluación de los efectos de las vibraciones ambientales y forzadas en una estructura, se ha convertido en una consideración importante en la práctica profesional. En muchos casos es esencial considerar su efecto, particularmente en los sistemas de piso de estructuras muy flexibles que son expuestas a vibraciones fuertes, inducidas por equipo electromecánico, y que pueden afectar a la seguridad estructural o el correcto funcionamiento de una estructura. No obstante que el monitoreo de la salud estructural ha sido muy aceptado en la ingeniería estructural práctica, debido principalmente a que estos estudios proporciona información importante sobre los cambios graduales o repentinos de la rigidez de las estructuras, la fatiga de los elementos estructurales, entre otros, en la actualidad las investigaciones sobre el efecto de las vibraciones en los seres humanos dentro de un edificio son relativamente escasos, tomando como referencia los trabajos de monitoreo estructural. Por todo lo anterior los índices de tolerancia, para medir el confort de los usuarios de una estructura, propuestos por las normas actuales son poco conocidos en la práctica profesional. 1 Estudiante de posdoctorado, Instituto de Ingeniería UNAM, Circuito Escolar S/N, Cd. Universitaria, Ciudad de México. MEscamillaG@iingen.unam.mx, Tel. (55) ext Profesor Investigador, Instituto de Ingeniería UNAM, Circuito Escolar S/N, Cd. Universitaria, Ciudad de México.GAyalaM@iingen.unam.mx, Tel. (55) Ingeniero consultor, Norte 23 No 310 Colonia Independencia Valle de Chalco Solidaridad, Edo. México. her_unam.hotmail.com, Teléfono Profesor, Facultad de Ingeniería, UNAM, Circuito Escolar S/N, Cd. Universitaria, Ciudad de México. posgradoingcivil@ingenieria.unam.mx, Tel. (55) ext

2 XX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Mérida, Yucatán Estimar el efecto de la vibración en el cuerpo humano es un fenómeno muy complejo. Una aceleración de 0.05 g puede llegar a ser incómoda para los seres humanos en entornos estáticos como residencias, oficinas, e iglesias, si el entorno se vuelve dinámico producto de vibraciones ambientales o forzadas intensas, e.g, instalaciones industriales, gimnasios, entre otros, el nivel de tolerancia aumenta debido principalmente a que los usuarios de la estructura se acostumbran a los movimientos; sin embargo, esto no quiere decir que estas vibraciones no puedan llegar a ser patógenas e incluso pueden llegar a influir de forma significativa en la salud de la estructura y/o en las actividades diarias de los usuarios. Debido a todo lo anterior algunos autores proponen realizar encuestas y/o cuestionarios a los usuarios de edificios con problemas de vibraciones y así poder considerar los resultados en los parámetros de tolerancia establecidos por la normatividad existente. Los usuarios de una estructura con vibraciones, consideradas como anómalas, pueden proporcionar información valiosa del tipo de problema y principalmente de por dónde se debe atacar éste, en una evaluación de salud estructural de un edificio. En el presente artículo se presenta los resultados de una investigación en curso sobre el efecto de las vibraciones en la estructura y en sus usuarios. Se hace una revisión de la normativa internacional especializada respecto a los niveles de seguridad en las estructuras y de la tolerancia en los usuarios de éstas. Se presenta una síntesis sobre la magnitud de la vibración a la que esta puede influir en el correcto funcionamiento de una estructura y en las actividades de los usuarios. Finalmente para ilustrar la influencia de las vibraciones forzadas y ambientales en la salud estructural y en los seres humanos se presenta un ejemplo práctico en donde los usuarios de una plataforma marina detectaron desplazamientos aparentemente fuera de lo normal y vibraciones anómalas, las cuales poco a poco afectaron su confort, sus actividades diarias y su sentimiento de seguridad. Los resultados obtenidos de una instrumentación, utilizando acelerómetros, a la estructura se compararon con los niveles máximos de tolerancia propuestos en algunas de normas especializadas internacionales. NORMATIVIDAD EXISTENTE PARA MEDIR LOS EFECTOS DE LAS VIBRACIONES EN EL SER HUMANO La sensibilidad humana a las vibraciones puede variar drásticamente de una persona a otra por lo que estimar sus efectos en los usuarios se ha convertido en una tarea muy complicada para la práctica profesional de la ingeniería. Investigaciones han detectado que el cuerpo humano percibe desplazamientos, asociados a vibraciones, de 0.001mm. La reacción humana a una vibración dentro de un edificio depende principalmente de factores físicos, propios de la intensidad de las vibraciones, e.g., la amplitud del desplazamiento, la velocidad, la aceleración, la duración de las vibraciones y la frecuencia de vibración. Sin embargo la percepción humana a las vibraciones también puede depender de factores ajenos a la ingeniería estructural como son: la posición de los usuarios en el momento que se presenta la vibración, la dirección de incidencia de la vibración respecto a la columna vertebral, la actividad que esté desarrollando el usuario, la edad del usuario, la frecuencia de ocurrencia de las vibraciones, la hora de ocurrencia, la costumbre de percibirlas, entre otras. Debido a lo anterior, particularmente a los factores en los que pueden variar la percepción humana entre los usuarios, algunas normas especializadas internacionales ISO (1989); Norma Británica, BS 6472 (1984) han propuesto nuevas técnicas para evaluar el efecto de las vibraciones en el los usuarios de los edificios, en las cuales se estiman los límites de tolerancia asociados a una media cuadrática, RMS, de las vibraciones registradas (ver Fig. 1) y no a valores máximos. Además de esto se considera la posición del ser humano con respecto a las vibraciones, la dirección de incidencia de la vibración respecto a la posición del usuario (Fig. 2) y las frecuencias propias de las partes del cuerpo de los usuarios. En la mayoría de normas actuales se asume que las vibraciones del suelo están en un rango de 1 a 80 Hz. 2

3 Aceleración RMS Tiempo (s) Fig. 1 Vibración media cuadrática, RMS, asociada a un registro de vibración y utilizada para evaluar el efecto de las vibraciones en los usuarios de un edificio Fig. 2. Ejes coordenados de referencia para estimar el efecto de las vibraciones en los usuarios de un edificio. British Standard, BS 6472, (1984) No obstante de que considerar el efecto en las vibraciones en el diseño y evaluación de estructuras es relativamente nuevo, existen algunos trabajos y especificaciones que miden el efecto de las vibraciones en el ser humano desde mediados del siglo XX. El Ministerio Soviético de Ingeniería Metalúrgica y Química (1955) dentro de sus normas propone umbrales máximos de aceleración (mm/s²) para diferentes niveles de tolerancia de los usuarios de edificios, para estructuras con frecuencia fundamentales menores o iguales a 10 Hz. Cuando el edificio presenta frecuencias superiores a 10 Hz los umbrales máximos se expresan en velocidades (Tabla 2). 3

4 XX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Mérida, Yucatán Tabla 2. Nivel de percepción humana de vibraciones en función de la frecuencia de la estructura y de umbrales máximos de aceleración. Efecto de la vibración en los usuarios Frecuencias (1 a 10Hz) amax (mm/s²) Frecuencias (1 a 10Hz) vmax (mm/s²) Imperceptible Apenas perceptible Claramente perceptible Molesto para las personas Muy desagradable Perjudicial >100 >16 La norma DIN (1999) es una de las especificaciones más conocidas utilizada en el mundo, particularmente se ha usado en países donde no cuentan con una normatividad local. Los efectos de las vibraciones en el ser humano, dentro de los edificios se estiman en un rango de frecuencias acotadas entre valores de 1Hz y 80Hz. Esta norma usa una ecuación que muestra a los analistas una idea aproximada si los efectos de las vibraciones pueden ser nocivos para los usuarios. La sensación de la vibración de los usuarios se estima mediante un factor llamado KB max el cual se calcula de la velocidad máxima y su frecuencia asociada. El valor KB max se compara con el valor de tolerancia propuesto por la norma, Tabla (1) (2) donde: V max es velocidad máxima de la partícula en mm/s f es la frecuencia de vibrar en Hz f O es una frecuencia de referencia cf es un factor que depende de la resonancia Tabla 3. Valores guía para estimar percepción humana a las aceleraciones, DIN (1999) Tipo de estructura Día Ao Noche Edificio con fines comerciales Edificio con fines comerciales y similares Otras estructuras Edificios de vivienda Edificios que necesitan una protección especial La norma internacional ISO (1989) establece límites para la percepción humana asociados a las aceleraciones (Tabla 4). Los criterios de aceptación humana hacia las vibraciones dependen, principalmente, del tiempo de exposición a las oscilaciones y de la aceleración de la vibración ponderada. Los valores para la ponderación de las aceleraciones dependen esencialmente de la posición relativa entre la columna vertebral del individuo y la dirección de actuación de la oscilación. Para la sensación de confort esta norma presenta los niveles de percepción humana expresados en la Tabla 4. Ao 4

5 Tabla 4. Valores guía para estimar percepción humana a las aceleraciones, ISO (1989) Efecto de la vibración en las personas Aceleración m/s² Confortable < Poco confortable Muy inconfortable Molesto Muy molesto Insoportable 2.0 La norma Australiana, AS ), propone límites de exposición humana ante vibraciones, en los cuales la percepción de las vibraciones dentro de los edificios depende de la dirección del movimiento (horizontal o vertical), la frecuencia vibrar y de las aceleraciones de vibración registradas. Esta norma propone una curva base, graficada en escala logarítmica (Fig. 3), que debe ser multiplicada por un factor para determinar si los umbrales de aceleración registrados son valores admisibles (Tabla 4) Aceleración m/s² Curva Base no factorizada Frecuencia hz 100 Fig. 3. Curva base de aceleraciones, para estimar el nivel de vibraciones admisibles para el confort humano,, AS ) Tabla 5. Factores para afectar la curva base, aplicados a diferentes tipos de estructuras y ambientes de trabajo (AS 2670, 2001). Categoría Áreas de trabajo crítico e.g., Quirófanos de hospitales, laboratorios de precisión Residencial Oficinas Edificios industriales Tiempo Día Noche Día Noche Día Noche Día Noche Vibración continua Vibración transitoria (varios eventos al día) EFECTO DE LAS VIBRACIONES EN LA ESTRUCTURA La norma DIN (1999) propone valores indicativos para evaluar el efecto de las vibraciones, en estructuras, asociadas a acciones de carácter internas o externas. Los límites de tolerancia propuestos por esta norma utilizan los umbrales máximos de la aceleración, y consideran la disminución de su estabilidad y la reducción de la capacidad resistente de las losas o cubiertas de entrepiso. Por lo anterior esta norma es utilizada comúnmente para evaluar el efecto de las vibraciones bajo el criterio de integridad estructural en diferentes países del mundo. Esta norma se basa en los siguientes criterios de aceptación, que dependen de la duración de 5

6 XX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Mérida, Yucatán las vibraciones, 1) Vibraciones estructurales de corta duración, 2) Vibraciones estructurales permanentes y 3) Vibraciones permanentes en las losas de entrepisos. En la Fig. 4 y las Tablas 6 y 7 se presentan los valores guía de las velocidades de vibración máximas para la cimentación y el plano horizontal del piso más alto, (DIN ,1999; DIN , 1975) aplicados a varios tipos de estructuras para criterios de vibraciones de corta duración. Si los valores registrados de velocidad superan estos límites se tendrían efectos dinámicos nocivos, que podrían estar asociados a patologías externas, las cuales pueden provocar daños significativos a las estructuras, incluso ocasionar la interrupción en las actividades de los usuarios. 60 DIN415O Z1 Aceleración mm/s² Frecuencia hz Z2 Z3 Fig. 4 Velocidades máximas para evaluar las cimentaciones, bajo vibraciones de corta duración. Tabla 6. Valores máximos para velocidad de partícula DIN (1999) Tipo de estructura Cimentación Nivel superior Frecuencia 1 Cualquier 1-10 Hz Hz Hz frecuencia Edificaciones Industriales, oficinas y similares o con diseños robustos Edificaciones residenciales y construcciones similares Otras edificaciones sensibles a las vibraciones o las no incluidas en los puntos anteriores Tabla 7. Velocidades pico recomendadas por la norma DIN (1975) Tipo de estructura Residencias, oficinas y otras similares, construidas de forma tradicional y en condiciones normales Velocidad máxima mm/s Velocidad vertical máxima mm/s Edificaciones estables en condiciones normales Otras edificaciones y monumentos históricos La norma internacional ISO 4866 (1986) ha sido considerada como una guía técnica para la elaboración de normas regionales, sin embargo no presenta valores indicativos de vibraciones, ya que esta norma fue creada para establecer principios básicos de medición y procesamiento de señales. La medición de los niveles de vibración de esta norma tiene como propósito. 1) El reconocimiento de problemas donde se reporten vibraciones en edificaciones que causen incertidumbre en los ocupantes y sea necesario evaluar los niveles que garanticen la integridad estructural, 2) monitoreo de control de niveles de vibración máximos permitidos que han sido establecidos por alguna agencia y requieran se reportados y 3) La documentación de cargas dinámicas que hayan sido consideradas en el diseño estructural, donde se realizan mediciones 6

7 Uno de los puntos importantes en esta norma es que la duración de las vibraciones se considera relevante, lo cual solo se ha puesto en práctica en algunas de las normas actuales. La forma en la cual esta norma considera la duración de la señal es clasificando la vibración en continua o transitoria. Se define una constante de tiempo para la cual se presenta resonancia, dada por r = 1/(2rfr); donde r es la constante de tiempo, y representa la influencia del amortiguamiento, la cual depende del excitación y fr es la frecuencia de resonancia. Cuando la vibración es mayor de 5r entonces se considera que la vibración es continua y cuando es menor se considera es transitoria. En el caso de las explosiones ISO 4866 (1986) considera que se puede considerar como transitoria. ANALISIS DE RESULTADOS En este artículo se presentan los resultados obtenidos de una investigación en curso sobre el efecto de las vibraciones en las estructuras y sus usuarios, particularmente se presentan los resultados de la evaluación estructural de una plataforma marina (Méndez, 2015), en la cual los usuarios de la estructura observaron movimientos anómalos y desplazamientos laterales que produce oscilaciones visibles en la tubería de perforación de la mesa rotaria. La amplitud de estos movimientos provocó algunas alteraciones en las actividades de la plataforma. Las hipótesis que se estimaron sobre el mal funcionamiento fueron varias, una de ellas es la aparente vibración excesiva que se genera en la cubierta del segundo nivel donde se ubican algunas bombas. Sin embargo debido al desconocimiento en la fuente y las características de las vibraciones generadas por las bombas y su transmisión a la estructura, se decidió dividir el estudio en dos etapas. En la primera de ellas realizó una visita de reconocimiento y sensibilización a la plataforma que incluyó una identificación del sistema estructural y una medición preliminar del nivel de vibraciones generadas por las bombas en la cubierta superior, con el objeto de definir las características de calibración de los sensores de vibraciones, requeridas para la campaña formal de mediciones. Adicionalmente a esto se revisaron las condiciones de apoyo de los equipos electromecánicos (turbo bombas y turbogeneradores) y su fijación a la estructura de la cubierta para detectar su influencia sobre las vibraciones registradas y si éstas eran la causa de posibles vibraciones patógenas que pudieran afectar su funcionamiento. La estructura analizada es una plataforma marina de perforación, de acero estructural de 2 niveles, (Fig. 5) localizada en la sonda de Campeche Fig. 5 Plataforma marina estudiada en esta investigación El estudio de las señales registradas se realizó mediante un análisis de Fourier, el cual consiste en pasar la señal del dominio del tiempo (aceleración vs. tiempo) al dominio de la frecuencia (amplitud vs. frecuencia). Se usó un analizador de espectros virtual escrito en el sistema LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), desarrollado por 2 do y 4 to autores de este trabajo. El registro de las señales de vibración de la estructura en estudio se realizó con 6 acelerómetros digitales GSR, Terra Technology, su rango de medición de aceleración máxima es de 0.25 a 2 veces de la gravedad. Estos equipos de medición no solo permiten el registro de movimientos de alta intensidad como el caso de sismos, sino también el registro de vibraciones de pequeñas amplitudes producto de excitaciones ambientales. Cada equipo registra señales de vibración en 3 direcciones ortogonales. 7

8 XX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Mérida, Yucatán Los instrumentos de medición se ubicaron de forma estratégica en la plataforma y en sus componentes estructurales, colocando hasta 6 aparatos funcionando manera síncrona, para identificar correctamente las frecuencias propias del sistema. Se realizó un programa de mediciones, el cual se dividió en 7 arreglos. EL arreglo No.1: Corresponde a la distribución vertical de los equipos o sensores de medición, instalados sobre la superestructura y subestructura. Arreglo No.2: Corresponde a la distribución en planta de los equipos o sensores de medición, instalados sobre la cubierta No.1 (elevación m sobre la superficie libre del agua, SLA). Arreglo No.3: Corresponde a la distribución en planta de los equipos o sensores de medición, instalados sobre la cubierta No.2 (elevación m, SLA). Arreglo No.4: Corresponde a la distribución vertical de los equipos o sensores de medición, instalados sobre la torre de perforación. Arreglo No.5: Corresponde a la distribución en planta de los equipos o sensores de medición, instalados sobre la subestructura o zona de pasillos de acceso al embarcadero, (elevación 6.669m, SLA). Arreglo No.6: Corresponde a la distribución vertical de los equipos o sensores de medición, instalados sobre la Torre de perforación y la superestructura (elevación m, SLA). Arreglo No.7: Corresponde a la distribución vertical de los equipos o sensores de medición, instalados sobre los primeros niveles de la Torre de perforación. Del registro de señales realizado se estimaron las propiedades dinámicas de la estructura e.g., periodos o frecuencias propias de vibrar del sistema, asociados a los diferentes modos de vibrar que se identifiquen de acuerdo a las características de su estructuración, porcentaje del amortiguamiento crítico. De los resultados obtenidos del proceso y análisis de las señales de vibración registradas se obtuvieron los desplazamientos relativos que se requieren para evaluar el daño en la estructura y en la torre de perforación. Se estimaron los valores pico de la aceleraciones para estimar la influencia de las aceleraciones en los usuarios de la estructura, de acuerdo con la norma utilizada (AS 2670, 2001). PROPIEDADES DINÁMICAS DE LA CUBIERTA En la Tabla 8 se presenta un panorama completo de las frecuencias más relevantes que participan en la respuesta dinámica de la estructura en estudio, obtenidas de los Arreglos No.6 y No.7. Se realizó la superposición de la totalidad de los espectros de Fourier para ambas direcciones de medición analizadas. En la Fig. 6 y se pueden observar claramente las frecuencias asociadas al cuerpo principal de la estructura, mismas que fueron encontradas en el estudio de la primera campaña de mediciones. Fig. 8 Envolvente de los espectros de Fourier en el arreglo No 6, dirección longitudinal 2 Tabla 8. Frecuencias de la estructura estimadas a partir de los resultados obtenidos del estudio de vibraciones Arreglo Dirección longitudinal (2) [Hz] Plataforma marina Torre de perforación Dirección Transversal (2) [Hz] Plataforma marina Torre de perforación No No Promedio

9 AMORTIGUAMIENTO El cálculo del porcentaje de amortiguamiento crítico de la plataforma marina de perforación, se obtuvo seleccionando los espectros de potencia correspondientes a los registros más representativos del comportamiento dinámico de la cubierta superior, particularmente se eligieron los registros de un equipo ubicado al centro de dicha cubierta, y generados en el arreglo No.1. Esta elección se debió a que en esta zona se obtuvieron las señales con una mejor calidad, la cual es una característica deseable para la aplicación del método empleado (Kawasumi y Shima, 1965). En total se analizaron 5 espectros de potencia para la dirección longitudinal (2) y otros 5 para la dirección transversal (3). Se realizó el promedio de los resultados obtenidos. Para la estimación del porcentaje de amortiguamiento en la torre de perforación, también se eligieron espectros de potencia de registros representativos del equipo colocado en la parte más alta de la torre (Equipo E6 del Arreglo No.6), ya que en éste se obtuvieron las señales de mejor calidad. En Tabla 9 se muestra el resumen de los porcentajes obtenidos, para las componentes longitudinal (2) y transversal (3). El amortiguamiento obtenido (5.6%) calculado para la frecuencia de 0.65 Hz, se considera congruente con el comportamiento de la estructura, ya que está frecuencia está asociada a un modo de vibrar global de la plataforma en la que existen, además de las de la cubiertas, otras fuentes importantes de amortiguamiento como el oleaje, que incrementan notablemente su valor. Tabla 9 Fracción de Amortiguamiento critico obtenido del análisis de vibraciones Dirección longitudinal (2) Frecuencia 0.65 Hz Dirección Transversal ( 3 ) Frecuencia 0.62 Hz a 6.5 Para evaluar el daño en la estructura se calcularon los desplazamientos relativos del cuerpo principal de la estructura y los de la torre de perforación. Para calcular los desplazamientos relativos entre las cubiertas de la plataforma marina se estimaron los desplazamientos absolutos en todos los equipos de un arreglo para un mismo instante de tiempo, siendo de interés el instante en el que se produce el desplazamiento máximo. En las Tablas 10a y 10b se muestran los desplazamientos relativos máximos de la plataforma (Cubierta inferior y superior). Se observa que sus valores máximos (dirección longitudinal 2 y 3) son muy pequeños, por lo cual se asume que la plataforma marina estudiada en esta investigación no presenta un daño significativo que ponga en peligro la salud de la estructura o el de sus ocupantes. Tabla 10 s relativos entre las cubiertas superior No.2 y la inferior No.1, Arreglo No.1. (Cálculo de desplazamientos laterales, para las direcciones Longitudinal (2) y Transversal (3). lateral en dirección Longitudinal (2) No. de Disparo Cubierta No.1 Elev. (+) m Cubierta No.2 Elev. (+) m Relativo (cm) a) 9

10 XX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Mérida, Yucatán No. de Disparo lateral en dirección Transversal (3) Cubierta No.1 Elev. (+) m Cubierta No.2 Elev. (+) m Relativo (cm) Para obtener los desplazamientos relativos de la torre de perforación se realizó la diferencia en el tiempo de los valores respectivos para cada evento, seleccionándose únicamente los correspondientes al evento que tuvo los desplazamientos relativos máximos, en los arreglos No.6 y No.7. En resumen los desplazamientos laterales relativos de la torre de perforación fueron muy pequeños, obteniéndose como valores máximos 0.57 cm y 0.43 cm para las direcciones longitudinal (2) y transversal (3) respectivamente en el Arreglo No.6 y de 0.65 cm y 0.60 cm para las direcciones longitudinal (2) y transversal (3) respectivamente en el Arreglo No.7. (Ver Tablas 11 y 12) Tabla 11. s relativos obtenidos en la torre de perforación, en el Arreglo No.6 b) lateral dirección Longitudinal (2) Equipo Relativo (cm) E E E E E E lateral dirección Transversal (3) Equipo Relativo (cm) E E E E E E Tabla 12. s relativos obtenidos en la torre de perforación, en el Arreglo No.7 lateral dirección Longitudinal (2) Equipo Relativo (cm) E E E E E E lateral en dirección Transversal (3) Equipo Relativo (cm) E E E E E E

11 ENCUESTAS REALIZADAS A LOS USUARIOS DE LA PLATAFORMA Con el objetivo de tener un punto de referencia del tipo de problema y de por dónde atacarlo, pero sobre todo de entender la influencia de la vibración en los seres humanos se realizó una encueta entre los usuarios de la estructura. Algunas de las preguntas realizadas en el cuestionario son las siguientes. 1 Ha percibido alguna sensación extraña, que afecte su confort, sus actividades o el funcionamiento de algún equipo de operación de la plataforma, debido a movimientos o vibraciones? Si No 2 Cómo describe este movimiento y/o sensación? 3 Cuándo ha sentido este movimiento ha sentido algún mareo o nausea? 4 Cuándo ha sentido este movimiento en qué posición estaba y que actividad estaba realizando? Sentado, de pie, caminando, tocando algún objeto con las manos. 5 Cómo considera la magnitud del movimiento? Baja, Moderada, Alta, o muy alta 6 Zona y horario donde sintió los movimientos o vibraciones? 7 Cuándo se iniciaron los movimientos? 8 Estos movimientos o vibraciones afectan el equipo de operación en la zona donde usted labora? Sí No 9 Cómo describe la afectación al equipo de operación debido a estos movimientos, si es que la hay? De los resultados de los cuestionarios hechos a los usuarios de la plataforma, se observó que existía consistencia entre sus respuestas, cual ofreció a los evaluadores de la estructura una idea de la problemática y así establecer una estrategia para solucionarlo. REVISION DE ESTADOS LIMITE DE VIBRACIONES La vibración excesiva en estructuras puede dar lugar a efectos perjudiciales para los usuarios y es deseable que sea evaluada utilizando criterios de aceptación. En este trabajo, la revisión de estados límite se basó en el criterio establecido por la norma australiana (AS 2670, 2001), en la cual se considera la evaluación de los efectos de las vibraciones bajo la percepción y respuesta del cuerpo humano en un rango de 1 a 80 Hz. Para ello se tomaron los resultados de las frecuencias naturales de vibrar asociadas a la estructura de la cubierta presentadas en la Tabla 8 y sobre la curva base presentada en la Fig. 3. Se graficaron las frecuencias vs. las aceleraciones máximas para determinar si los niveles de vibración son aceptables (Fig. 9). Se observa que para el valor de la aceleración pico, correspondiente a la frecuencia asociada al modo en traslación longitudinal (2) de la plataforma marina se rebasa el límite permisible de la Norma. En cuanto a los valores de aceleración pico registrados en la estructura de la torre de perforación, se puede ver que el mayor de estos valores rebasa los estados límites admisibles; sin embargo, en este caso de estudio se superan los límites en ambas direcciones asociadas a las frecuencias de sus modos traslacionales (2) y (3). En conclusión, el caso de estudio de la plataforma marina, si excede los límites permitidos de acuerdo con el código AS En la Tabla 13 se presentan, además, las comparativas de los niveles de aceleración medidos contra los permisibles de las señales en el tiempo. 11

12 XX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Mérida, Yucatán Tabla 13 Comparativa de los niveles permisibles de aceleración, para la plataforma marina y la estructura de la torre de perforación, (AS 2670, 2001). 1ra campaña 2a campaña Frecuencias identificadas asociadas a los modos dominantes Aceleraciones máximas registradas Dirección Dirección Dirección Dirección longitudinal (2) Hz transversal (3) Hz longitudinal (2) Hz transversal (3) Hz plataforma Torre plataforma Torre plataforma Torre plataforma Torre Acc. Max AS2670 mm/s² Aceleración Pico, Plataforma Marina-Long (2) Aceleración Pico, Plataforma Marina-Trans (3) 1.00 Aceleración Pico, Torre de Perforación-Long (2) Aceleración Pico, Torre de Perforación-Trans (3) Curva Base X8 Aceleración m/s² Curva Base no factorizada Frecuencia Hz 100 Fig. 9 Niveles de aceleraciones admisibles para el confort humano, para la plataforma marina y la estructura de la torre de perforación, la curva en color azul es la representativa al nivel admisible en estructuras industriales, (AS 2670, 2001). CONCLUSIONES De los resultados obtenidos particularmente de los desplazamientos relativos del cuerpo principal de la estructura evaluada y su torre de perforación se concluye que no se observó evidencia de daño en la estructura, producto de las vibraciones ambientales y forzadas; sin embargo, si se observó que los umbrales máximos de aceleración registrados durante la campaña de mediciones, en algunos puntos, sí sobrepasaron los límites de aceptación propuestos por una normatividad internacional reconocida (AS 2670, 2001) por lo cual se concluye que datos obtenidos de los usuarios pueden ofrecer información muy valiosa, particularmente cuando se tienen estructuras en donde el efecto de las vibraciones es producido por diferentes mecanismos que producen vibraciones con diferentes frecuencia durante las 24 horas. REFERENCIAS AS 2670 (2001) Evaluation of human exposure to whole-body vibration. Part 1: General requirements, Standards Australia, Sydney, Australia. BS 6472 (1984), Evaluation of human exposure to vibration in buildings (1 Hz to 80 Hz). British Standards Institute, Londres, Reino Unido DIN 4150, (1975), Structural vibration, Human exposure to vibration in buildings. Part 1, Deutsches Institut f ür Normung, Berlín, Alemania. DIN 4150, (1999), Structural vibration, Human exposure to vibration in buildings. Part 1 Deutsches Institut f ür Normung, Berlín, Alemania 12

13 DIN 4150, (1999), Structural vibration, Effects of vibration on structures. Part 3 Deutsches Institut f ür Normung,Berlín, Alemania ISO ,2: (1989), Mechanical vibration and shock. Evaluation of human exposure to whole-body vibration. Part 1: General requirements. International Organization for Standardization Ginebra, Suiza. ISO 4866: (1986), Mechanical vibration and shock. Measurement and evaluation of vibration effects on building, Guides for the use of basic standard methods. International Organization for Standardization Ginebra, Suiza. Kawasumi H. y Shima E., (1965). Some Applications of a Correlator to Engineering Problems. III World Conference Earthquake Engineering, WCEE, Vol 2, II 298 a II 320 Nueva Zelanda. Méndez R. H., (2015). Identificación de las propiedades dinámicas de una plataforma marina de perforación, basada en el monitoreo de vibraciones, Tesis de Maestría en Ingeniería (Estructuras), Posgrado en Ingeniería, UNAM, México. AGRADECIMIENTOS Se agradece al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, por patrocinio del proyecto de investigación Desarrollo y validación de un nuevo enfoque de evaluación y diseño sísmico multinivel de estructuras basado en desplazamientos y control de daño (221526), otorgado al segundo autor de este trabajo y por la beca de posdoctorado, la cual es patrocinada por este mismo proyecto, otorgada al primer autor y finalmente a la empresa Grupo Especializado en Obras Marítimas S.A. de C.V. por su apoyo en la realización de los proyectos en los que se basa este artículo. 13