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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

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SISTEMA DE REGISTRO ACELEROGRÁFICO PARA EL MONITOREO ESTRUCTURAL DE UN

TRAMO ELEVADO DE LA LÍNEA 12 DEL METRO

Luis A Aguilar, Mauricio Ayala, David Murià, Juan M Velasco, David Almora, Gerardo Castro, Israel Molina, Alejandro Mora, Miguel Torres, Ricardo Vázquez

RESUMEN

Este trabajo presenta el diseño de una red de instrumentos sísmicos y de monitoreo estructural permanente en

un tramo elevado típico de la Línea 12; también conocida como línea dorada del Sistema de Transporte

Colectivo Metro, ubicada en el sur de la ciudad de México, cruza las delegaciones Benito Juárez, Coyoacán,

Iztapalapa y Tláhuac conectando las zonas Oriente y Poniente, con el objeto de contar con datos

instrumentales que permitan, elaborar los programas de operación y mantenimiento de la estructura, así como

detectar daños estructurales no visibles, pero sobre todo corregir comportamientos inadecuados de elementos

estructurales.

ABSTRACT

This paper presents the designed network of seismic instruments for the structural monitoring of a typical

elevated section of Line 12; also known as the Golden Line of the System of Collective Transport-Metro, it is

located in southern Mexico City and runs through the boroughs of Benito Juárez, Coyoacán, Iztapalapa and

Tláhuac connecting the eastern and western zones of the city. It was implemented to have instrumental data

that will aid in the development of operation and maintenance programs of the structure, as well as for

detecting non-visible structural damage, but mostly to correct inappropriate behavior of the structural

elements.

ANTECEDENTES

El Gobierno del Distrito Federal (GDF) por conducto del órgano desconcentrado Proyecto Metro del Distrito

Federal (PMDF) y la Universidad Nacional Autónoma de México (LA UNAM) han firmado un convenio

general de colaboración con el objeto de realizar proyectos y trabajos conjuntos en materia de docencia,

investigación, difusión de la cultura y otras en beneficio de las partes, cuyas particularidades se definirán en

convenios específicos de colaboración que celebren “LA UNAM” y las dependencias interesadas de “EL

GDF”.

Uno de los convenios en específico firmado es el referente a los trabajos relativos a la “Pruebas de Campo e

Instrumentación Permanente en un sitio Típico del Tramo Elevado de la Línea 12 del Metro”, con el fin de

que permita tener datos confiables que ayuden a comprender mejor el comportamiento del tramo elevado ante

la acción dinámica del paso de los trenes, así como ante la acción de un sismo. La información y experiencia

que se obtenga de esta vía elevada, contribuirán a mejorar las soluciones para futuras obras de este tipo

desplantadas sobre suelos blandos, que deberán abordarse para atender las necesidades de transporte en la

ciudad de México.

INTRODUCCIÓN

El estudio de la respuesta sísmica de estructuras ubicadas en la zona metropolitana del valle de México es de

vital importancia, debido a la gran densidad poblacional y a las características de esta zona del país. Por otro

lado, la construcción de nuevas obras de vialidad y transporte cada vez están requiriendo novedosos sistemas

de construcción y diseño, lo que obliga a conocer, ante el fenómeno sísmico, el comportamiento de dichas

estructuras tomando como referencia la información obtenida por el registro instrumental. Una de estas obras

es la expansión del Sistema de Transporte Colectivo Metro, por medio de la construcción de la Línea 12, la

cual atraviesa las delegaciones Benito Juárez, Coyoacán, Iztapalapa y Tláhuac; con un desarrollo de 20

estaciones que van de Mixcoac a Tláhuac, diseñadas en cuatro soluciones geotécnicas diferentes: Túnel

profundo, cajón subterráneo, cajón superficial y porción elevada.

XXCongreso Nacional de Ingeniería Estructural Mérida, Yucatán 2016

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El tramo elevado de la Línea 12 del Metro es el más largo de la misma (aproximadamente 12 km). Su

construcción implica un reto para la ingeniería por la complejidad de los diversos aspectos técnicos y físicos

que habrá que atender al tener que desplantarse sobre uno de los suelos más blandos del valle de México, así

como por las limitaciones de espacio para sus cimientos y por la respuesta sísmica del sitio.

Por las características de los suelos y de la estructura, hay diversas incertidumbres que hacen conveniente

disponer de una instrumentación que permita tener datos confiables que ayuden a comprender mejor el

comportamiento del tramo elevado.

El tramo seleccionado se localiza en la Avenida Tláhuac, Colonia Lomas Estrella, de la delegación Iztapalapa,

entre las calles circuito Bahamas y camino de los viveros, en el cadenamiento 14+924 (columna CC-5) y el

14+954 (columna CC-6). La figura 1 muestra un croquis de localización del tramo instrumentado.

Figura 1. Croquis del tramo instrumentado

Dada la relevancia de la obra y como la extensión de la misma exige varios apoyos a lo largo de muchos

kilómetros, se ha considerado importante verificar experimentalmente en campo, tanto a corto como a largo

plazo, las estimaciones reales del comportamiento de un tramo de la estructura elevada, bajo las acciones

dinámicas que imponen los eventos sísmicos. Con este motivo el Instituto de Ingeniería de la UNAM,

propone la instalación de una red de instrumentación acelerográfica y de monitoreo estructural permanente en

un tramo típico de la Línea 12. Este diseño incluye la instalación de sensores, registrador y de todos los

sistemas electrónicos que conforman la red de monitoreo estructural.

Los resultados de la instrumentación de la estructura serán valiosos para los programas de operación y

mantenimiento de la estructura, ya que permitirán, entre otros aspectos, detectar daños estructurales no

visibles que podría sufrir y corregir comportamientos inadecuados de elementos estructurales y no

estructurales con base en datos experimentales.


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DESCRIPCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN

En el mes de marzo del año 2012 se concluyeron las actividades de la instrumentación permanente del tramo

instrumentado de la línea 12 del STC-Metro localizada en el tramo comprendido entre el cadenamiento 14 +

924 (columna CC-5), y el cadenamiento 14 + 954 (columna CC-6). La instrumentación quedo conformada por

un registrador digital y 15 Acelerómetros para medir las aceleraciones (2 triaxiales y 9 uniaxiales),

distribuidos en diferentes puntos de la estructura y campo libre:

La concentración de la información de los sensores para su almacenamiento, se encuentra distribuida en un

registrador digital, un equipo Granite de 24 canales de la marca Kinemetrics. El cual se encuentra resguardado

en el Puesto Central de Registro (PCR) y montado en un rack, como se muestra en la fotografía 1.

Fotografía 1. Puesto Central de Registro PCR

Para el cableado fue necesario hacer un diagrama esquemático de las rutas a seguir para la correcta

interconexión de los sensores ubicados en los diferentes puntos estratégicos de la estructura. Las fotografías 2,

3 y 4 muestran ejemplos de la instalación de sensores y del cableado.

Fotografía 2. Sensores de aceleración en columna Fotografía 3. Sensores de aceleración en trabe


4

Fotografía 4. Sensores de aceleración en zapata

El sensor de campo libre es de vital importancia como referencia para el estudio del comportamiento sísmico

de la estructura, ya que permite establecer los elementos que rigen la interacción suelo-estructura. La base

cilíndrica de concreto para la estación de campo libre, se desplanto dentro de la misma caseta del PCR, en la

cual se colocó un sensor de aceleración triaxial, como se muestra en la figura 5.

Fotografía 5. Sensor de campo libre

CARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS

Registrador digital

El registrador digital modelo Granite (fotografía 6) de la marca Kinemetrics, es un aparato con sistema de

adquisición de datos multicanal de alta resolución y de bajo consumo de corriente, consiste de un chasis, el

cual contiene conectores externos para recibir señales de voltaje proveniente de los sensores externos. Entre

sus principales características técnicas (tabla 1) se pueden señalar: Resolución efectiva de 24 bits; rango

dinámico de 127 ó 130 db dependiendo la velocidad de muestreo, tasa de muestreo efectiva que puede variar

de 1 a 2000 muestras por segundo y umbrales de activación seleccionables entre 0.01% a 100% de la escala

completa. El medio de almacenamiento es en tarjeta tipo Flash interna de 13 Gb. El instrumento cuenta con

diferentes módulos para su configuración, mismos que pueden ser actualizados en forma remota ya sea

mediante una conexión directa a una computadora PC ó vía internet. Además cuenta con un protocolo de

transferencia de datos que permite enviar paquetes de información en forma remota aun cuando la rutina de

mantenimiento y transferencia esté siendo ejecutada.


5

Fotografía 6. Registrador digital Granite

Tabla 1. Características del registrador

Tipo Digital

Medio de registro Tarjeta interna “flash”

Canales ( 24 canales) Externos

Niveles de entrada [V] 5, 10 y 40 Vpp

Tasa de muestreo [muestras/seg.] 1 a 2000

Longitud de palabra [bits] 24

Recuperación de datos Local por Lap-Top o vía remota

Rango dinámico [dB] 127-130

Interconexión maestro-esclavo Configuración en red

Control de tiempo GPS

Alimentación [Volts DC] 8 a 18

El registrador se configuró con una velocidad de captura de 100 muestras por segundo por cada canal y se

programaron memorias de pre y pos-evento de 80 y 100 segundos. Además cuenta con una señal de tiempo

GPS con la finalidad de tener una referencia de tiempo que permite conocer con precisión la hora de inicio de

un evento. Es importante señalar que los rangos de aceleración de todos los sensores de la instrumentación

son de 2G (G = 981 cm/s2).

Sensores de aceleración

Los sensores de aceleración son servoacelerómetros de fuerzas balanceadas de la marca Kinemetrics, los

cuales permiten registrar el movimiento sísmico en una dirección si es uniaxial ES-U (fotografía 7) y en tres

direcciones ortogonales si es triaxial ES-T superficial. Su respuesta en corriente directa es plana hasta 200 Hz

y su rango dinámico es de 145 db. La salida es seleccionable y se pueden definir los valores de ± 2.5 y ± 10

volt en una dirección ó ± 5 y ± 20 volt diferencial. Además se pueden establecer las escalas de operación de ±

0.25, 0.5, 1, 2 ó 4 veces el valor de la gravedad. La tabla 2 muestra en un listado la ubicación de cada sensor,

así como el número de canal asignado y su orientación, también las figuras 1, 2, 3 y 4 muestran la ubicación

exacta de cada sensor instalado en la estructura instrumentada, entre la columna CC-5 y CC-6.


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Fotografía 7. Sensor uniaxial ES-U

Tabla 2 Ubicación, tipo y orientación de sensores

SENSORES DE ACELERACIÓN EN EQUIPO GRANITE

SENSOR UBICACIÓN TIPO N/S ORIENTACIÓN

Canal 1 Zapata CC6 ES-U2 Uniaxial 3515 6ZET

Canal 2 Columna CC6 ES-U2 Uniaxial 3516 6CT

Canal 3 Zapata CC5 ES-U2 Uniaxial 3517 5ZSV

Canal 4 Zapata CC5 ES-U2 Uniaxial 3518 5ZST

Canal 5 Zapata CC5 ES-U2 Uniaxial 3519 5ZEV

Canal 6 Columna CC5 ES-U2 Uniaxial 3520 5CL

Canal 7 Columna CC5 ES-U2 Uniaxial 3521 5CT

Canal 8 Trabe CC5 ES-U2 Uniaxial 3522 5TT

Canal 9 Trabe CC5 ES-U2 Uniaxial 3523 5TL

Canal 10 Zapata CC5 ES-T Triaxial 4897 5ZNL

Canal 11 Zapata CC5 ES-T Triaxial 4897 5ZNT

Canal 12 Zapata CC5 ES-T Triaxial 4897 5ZNV

Canal 13 Campo Libre ES-T Triaxial 4896 EL

Canal 14 Campo Libre ES-T Triaxial 4896 ET

Canal 15 Campo Libre ES-T Triaxial 4896 EV


7

Figura 1. Ubicación de cada sensor instalado en toda la estructura

Figura 2. Ubicación de cada sensor en la columna zapata CC-5 y CC-6

20,5 2 0,5 0,5

CC-6 CC-5

3 tubos galavanizados de 2"




PCR

PEAD 2"PEAD CorrugadoSanitario de 10"

PEAD 2" PEAD CorrugadoSanitario de 10"

Hacia estación San Andrés Tomatlán Lomas Estrella

Hacia estaciónHacia casetaHacia caseta

Columna zapata Columna zapata

6CT

6ZET 5ZNT5ZNL5ZNV

5ZST5ZSV

ELETEV

5TT5TL

5CT5CL

CC-5

5ZNL5ZNT5ZNV

5ZST5ZSV5ZEV

5CT5CL

5TT5TL

CC-6

6ZET

6CT


8

Figura 3. Vista en planta de sensores ubicados en zapata CC-5

Figura 4. Vista en planta del sensor ubicados en zapata CC-6

6,5

6,5

CC-5

Hacia caseta

3

21

Lomas EstrellaHacia estación

3,2

2,2

0,5

0,2

Tubería

PEAD 2"

0,5

5ZNL5ZNT5ZNV

5ZST5ZSV

5ZEV

1

5ZNT

5ZNL

5ZNV

15

cm

30 cm

T

LV

2

5ZSV

5ZST

15

cm

30 cmTV

3

5ZEV

15

cm

30 cmV

6,5

6,5

0,5

CC-6

Hacia

San Andrés4

2,2

3,2

Hacia caseta

estación

Tomatlán

6ZET

4

6ZET

15

cm

30 cmT


9

Sistema de monitoreo remoto

Ante la ocurrencia de un evento sísmico es necesario contar de manera rápida y oportuna con la información

registrada por el sistema de monitoreo estructural. Para ello se llevó a cabo la instalación y configuración del

servicio de Internet (fotografía 8) de Banda Ancha, a través de una conexión tipo Línea de Abonado Digital

Asimétrica (ADSL, por sus siglas en inglés) mediante línea telefónica. El servicio de Internet montado cuenta

con asignación de dirección IP fija o estática y una velocidad mínima de 2 Mbps. Para poder contar con el

servicio de Internet se instaló una línea telefónica hasta el interior del PCR. De esta manera, los equipos de

registro se pudieron configurar y conectar para poder accesar eventualmente a la información registrada de

manera remota así como la transmisión de datos en tiempo real. De esta forma de inmediato se puede conocer

el estado de operación del sistema de instrumentación desde el Puesto Central de Registro ubicado el Instituto

de Ingeniería de la UNAM.

Fotografía 8. Sistema infinitum

REGISTROS OBTENIDOS

Después de concluida la instrumentación permanente de un tramo elevado de la línea 12 del metro y de que se

encuentra operando, se ha obtenido el registro de sismos ocurridos en este periodo y algunos eventos del paso de

trenes.

EVENTOS SÍSMICOS

Se han registrado algunos eventos sísmicos desde su instalación por mencionar algunos están el 2 abril del

2012 (M= 6.0), el 11 de abril del 2012 (M=6.4), el 15 de noviembre de 2012 (M=6.1), el 18 de abril de 2014

(M=7.2) y el 8 de mayo del 2016 (M=6.0). En la tabla 2, se muestran las características principales de dichos

sismos. En las figuras 5 y 6 se muestran los acelerogramas obtenidos por el registrador Granite, durante el

sismo registrado el 18 de abril de 2014 y en las figuras 7 y 8 por el paso de trenes del metro.

Los acelerogramas muestran las historias de tiempo-aceleración registradas en cada punto de medición, en la

parte superior del encabezado se muestran características principales del sismo, de la estación y de los valores

máximos registrados; en la parte central las trazas de aceleración registradas por cada sensor y en la parte

derecha las claves de los puntos instrumentados y el valor máximo de aceleración registrado en cm/s².


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Tabla 2. Características principales de los eventos sísmicos registrados

EVENTO FECHA HORA SISMO (GMT)

Coordenadas Epicentrales Profundidad

(Km) MAGNITUD

Lat. Long.

1 2/abril/2012 17:36:42 16.27 98.47 10 6.0

2 11/abril/2012 22:55:10 17.90 103.06 16 6.4

3 1/mayo/2012 16:37:59 18.20 101.01 51 5.6

4 15/noviembre/2012 09:20:22 18.70 100.52 40 6.1

5 21/agosto/2013 12:38:30 16.79 -99.56 20 6.0

6 18/abril/2014 14:27:23 17.1 -101.19 10 7.2

7 8/mayo/2014 17:00:16 17.11 -100.87 17 6.4

8 10/mayo/2014 7:36:01 17.06 -100.95 12 6.1

9 8/mayo/2016 7:33: 16.25 -97.98 35 6.0

Figura 5. Acelerogramas obtenidos en campo libre, durante el sismo del 18 de abril de 2014


11

Figura 6. Acelerogramas obtenidos en los diferentes puntos instrumentados, durante el sismo del 18 de abril de 2014


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Figura 7. Acelerogramas obtenidos en los diferentes puntos instrumentados, durante el paso de trenes


13

Figura 8. Acelerogramas obtenidos en campo libre, durante el paso de trenes

CONCLUSIONES

El objetivo principal de la instrumentación es tener una mejor comprensión del comportamiento de la

estructura, ante la acción de fenómenos sísmicos, se está cumpliendo con los registros obtenidos de la

instrumentación instalada de acuerdo a lo que se esperaba.

Adicionalmente, también, se ha logrado obtener información acerca del registro de los sensores instalados en

la estructura ante la excitación producida por algunos pasos de los trenes que circulan sobre la vía elevada,

datos que también son valiosos para el estudio del comportamiento de la estructura.

La instrumentación se encuentra operando eficientemente, como lo muestran los registros obtenidos durante los

sismos ocurridos en este periodo.

Con los datos registrados de estos eventos se logró calibrar el sistema con resultados totalmente favorables.

El sistema permite el acceso remoto a las señales sísmicas en forma inmediata, con lo cual los datos se

encuentran disponibles para su análisis y estudio pocos minutos después de ocurrido el sismo y también

contribuyen a mantener un adecuado control del estado de la instrumentación instalada, condición que es

fundamental para garantizar el éxito en el registro del fenómeno sísmico.


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AGRADECIMIENTOS

Una parte importante de la operación y mantenimiento de la instrumentación permanente está a cargo de la

Coordinación de Sismología e Instrumentación Sísmica se ha contado en todo momento con el apoyo y

supervisión del Dr. David Murià Vila, así como del personal de la Coordinación de Estructuras y Materiales a

su cargo. Se agradece a los ingenieros Marco Antonio Macías Castillo, Héctor Sandoval Gómez, Leonardo

Alcántara Nolasco, Citlali Pérez Yáñez, Ana Laura Ruiz Gordillo, Rosario Delgado Diance al Sr. Jorge

Hurtado Mondragón, al Sr. Raymundo Mondragón Colín, al Sr. Ponciano Trinidad López y al estudiante Raúl

Bazán García. Agradecemos la colaboración del personal de la empresa ECODA, en especial al Arq. José

Manuel Palma Uribe por su aportación a la finalización de las reparaciones efectuadas. También se hace un

reconocimiento a la empresa Ingenieros Civiles Asociados, SA de CV, particularmente al Ing. Rogelio de

Aquino, por las facilidades otorgadas para la realización de las actividades presentadas en este informe.

Finalmente, es importante hacer mención que el diseño arquitectónico del Puesto Central de Registro estuvo a

cargo de la estudiante de arquitectura Xenia América Miranda Martínez, así como del Ing. Roberto Sánchez

Ramírez.

REFERENCIAS

[1] Mauricio Ayala H., Alejandro Mora C. -Informe final de la instrumentación permanente para el

monitoreo estructural de un tramo típico de la línea 12 del metro-. Informe elaborado para el Proyecto Metro

del Distrito Federal, Informe interno del Instituto de Ingeniería, UNAM. Noviembre 2012.

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