Los efectos del movimiento del suelo en las escaleras mecánicas

Se discute el papel de las escaleras mecánicas en las principales redes de transporte, como el metro de Londres.

El metro de Londres (LU) transporta aproximadamente 3.5 millones de pasajeros al día. Algunas estaciones dentro de la red requieren un funcionamiento fluido para un funcionamiento óptimo de la red en su conjunto. La ubicación de una estación, el flujo de pasajeros y las conexiones locales (tanto dentro de la red de metro como más ampliamente con redes de transporte externas) determinan el impacto que probablemente tendrá su operación en la eficiencia de la red en su conjunto.

El cierre o la distribución en una estación podría provocar una sobrecarga significativa en las estaciones cercanas y los enlaces de transporte externos. Por lo tanto, el funcionamiento continuo y la disponibilidad de todas las estaciones clave es un objetivo crucial para mantener una red operativa. Las escaleras mecánicas juegan un papel vital en el transporte de pasajeros entre los túneles y plataformas de trenes, las plataformas y los vestíbulos de boletos, y hacia y desde las salidas y entradas.

LU se encuentra actualmente en remodelación en la estación Tottenham Court Road (TCR). La obra comprende la construcción de una nueva taquilla, tres huecos de ascensor, acceso a Crossrail y diversas instalaciones comerciales y afines. Debido a la demanda y la ubicación de los clientes, es necesario mantener la estación en funcionamiento durante el curso del trabajo de remodelación, con una interrupción mínima del flujo de pasajeros. Por tanto, todas las escaleras mecánicas de la estación deberán permanecer en funcionamiento.

Como consecuencia de la mejora de la estación y el desarrollo de Crossrail, habrá una excavación significativa alrededor de la caja estructural de la estación existente, en algunas áreas hasta una profundidad de 24 m. La excavación alrededor de la caja estructural de la estación puede hacer que las cerchas de las escaleras mecánicas dentro de los túneles se muevan físicamente. El movimiento en el trabajo de la armadura de una escalera mecánica podría tener un impacto en su seguridad operativa y disponibilidad para su uso. Sin escaleras mecánicas en funcionamiento, la estación podría verse obligada a cerrar.

Los estudios geotécnicos han confirmado que los trabajos de excavación provocarán un movimiento físico en la estructura de algunos túneles y escaleras mecánicas. El impacto variará según la ubicación de cada escalera mecánica en relación con la excavación. Este movimiento puede tener un efecto significativo en la seguridad operativa y la disponibilidad de las escaleras mecánicas, como se explicó anteriormente.

La seguridad de los pasajeros es lo primero

Como parte del proyecto, LU y Tube Lines Lifts and Escalators Services, una subsidiaria de propiedad absoluta de Transport for London responsable del mantenimiento y mejora de partes de la LU, se embarcó en el diseño de un método para ajustar las escaleras mecánicas en tres dimensiones (sistema de elevación) y instalación de un sistema de vigilancia en las escaleras mecánicas. Este sistema complementará el sistema LU, que se ha instalado para monitorizar el movimiento en los túneles, vías y andenes. El objetivo del sistema de monitoreo de escaleras mecánicas es ayudar a mantener la disponibilidad de las escaleras mecánicas, garantizar la integridad de la estructura de la estación y garantizar la seguridad de los pasajeros que utilizan las escaleras mecánicas durante el proceso de construcción.

El sistema de monitoreo de Tube Lines puede registrar lecturas en vivo en tiempo real y, al instalarse antes del comienzo de las actividades de excavación, determinar las líneas de base operativas normales. Esto es ventajoso, porque la identificación de desviaciones en tiempo real de tales líneas de base permite que el sistema sirva como un mecanismo de alerta temprana si ocurren movimientos. Las tendencias se pueden utilizar para determinar y predecir posibles problemas estructurales y mecánicos antes de que representen una amenaza para la seguridad y el funcionamiento.

El sistema consta de varios tipos de sensores, como potenciómetros de cadena, galgas extensométricas, sensores de proximidad, celdas de carga y sensores de desplazamiento, todos los cuales están instalados en varios lugares de las máquinas (por ejemplo, truss y combplate). La ubicación de cada sensor se ha determinado mediante el uso de extensas simulaciones de análisis de elementos finitos (FEA). Los escenarios de movimiento derivados de los estudios geotécnicos se ingresaron en la simulación FEA y, a partir de este análisis, se pronosticaron los escenarios del peor de los casos contra la escala de tiempo del proyecto. Los niveles críticos de alarma se calcularon a partir de los pronósticos que proporcionan los límites seguros de movimiento permitidos para una escalera mecánica operativa. Los sensores están conectados a un sistema electrónico, que se comunica con un sistema de hardware de almacenamiento a través de Internet. Se ha escrito un software a medida para ver, trazar y disparar alarmas en tiempo real.

Los gatos de ajuste se instalaron en los nodos de soporte de las escaleras mecánicas 3 y 5, ya que estas escaleras mecánicas son las más críticas para mantener la operatividad de la estación. El sistema de elevación permite ajustar las dos escaleras mecánicas para contrarrestar el movimiento del suelo, permaneciendo así en funcionamiento seguro. El régimen de monitoreo y cualquier levantamiento de escaleras mecánicas es supervisado por un panel de ingenieros de expertos que deciden, en base a la información de monitoreo, cualquier acción en contra, levantamiento, siguiendo procedimientos establecidos y declaraciones de métodos.

Tube Lines ha establecido la marca para uno de los primeros sistemas de monitoreo de escaleras mecánicas, sintonizado y conectado a los movimientos del suelo circundante. Hay varias ventajas de un sistema de este tipo en términos de seguridad de los pasajeros y en la preservación de la integridad de la estructura de las escaleras mecánicas. Los principios y la metodología del sistema se pueden utilizar para cualquier desarrollo similar en la red. Los datos obtenidos del proyecto se pueden alimentar a industrias aliadas interesadas en la simulación. Los datos y las tendencias pueden ser de utilidad para ingenieros y científicos de diversas disciplinas.

Estrategia y metodología

Debido al trabajo de mejora y remodelación en TCR (Figura 1), la protección de la estación subterránea existente y sus escaleras mecánicas ha sido una prioridad para Tube Lines. A continuación, se examinará el concepto central de la supervisión de escaleras mecánicas y se explicará la lógica de la distribución de los sensores de escaleras mecánicas. La metodología, que se ha utilizado para proteger las escaleras mecánicas en TCR, sigue estos pasos:

• Realización de geoanálisis
• Detectando movimientos en los túneles
• Simulación y modelado matemático
• Detección de movimientos en los soportes, espacios y huecos críticos y datos en vivo

Realización de geoanálisis

Tube Lines encargó a Geotechnical Consulting Group (GCG) que realizara un estudio para analizar el impacto del trabajo de excavación en las estructuras dentro y alrededor de la estación. GCG estudió la naturaleza y el tipo de capas de suelo y verificó sus densidades. Tube Lines calcularon y predijeron conjuntos de escenarios de movimiento contra las cantidades de suelo removidas del sitio. Se utilizó un software de código de elementos finitos para el análisis de problemas de interacción suelo-estructura durante varios años. Los análisis realizados para esta evaluación comprendieron una serie de análisis de deformación planos 2D y un análisis 3D. Los análisis 2D modelaron la infraestructura existente, la excavación para las nuevas estructuras y los nuevos túneles.

Detección de movimientos en los túneles

Se han distribuido sensores láser con objetivos a lo largo y a lo largo de las escaleras mecánicas y los túneles del tren. Los medidores de inclinación eléctrica se han distribuido a lo largo de los túneles de las escaleras mecánicas. Los sensores láser y los medidores de inclinación miden descensos, subidas y giros en el túnel.

Simulación y modelado matemático

Las cerchas de tres escaleras mecánicas se modelaron en 3D utilizando el paquete de simulación Solidwork (Figura 2). El movimiento total pronosticado por el estudio geotécnico en cada soporte en la armadura de las escaleras mecánicas se dividió en 10 incrementos. Los 10 pasos incrementales se colocaron en el modelo 3D de cada escalera mecánica como 10 escenarios de movimiento. Los resultados para cada escenario se produjeron en forma de deflexión: distribuciones de tensión y deformación a lo largo y ancho de la escalera mecánica (Figuras 3 y 4).

Las relaciones entre los resultados de la simulación y los datos introducidos en el modelo (como los desplazamientos) se correlacionaron y expresaron en fórmulas matemáticas, que se utilizaron para trazar gráficos entre los parámetros. El comportamiento de cada parámetro se representó en una escala de tiempo para verificar el impacto a largo plazo de los movimientos (Figura 5). Los gráficos se extrapolaron a una escala a largo plazo para predecir los peores escenarios de movimiento de las escaleras mecánicas. Los resultados del estudio de simulación concluyeron que los movimientos en el suelo provocarán la creación de ubicaciones críticas (bahías) en la armadura. Las bahías deben ser monitoreadas durante el movimiento.

Distribuciones de sensores

Detección de movimientos en los soportes

Los movimientos en los cimientos a lo largo y ancho de la escalera mecánica varían de un lugar a otro. Someten las cerchas a deflexiones físicas, lo que genera tensiones en los elementos individuales de la cercha (Figuras 6-8). Los niveles de estas tensiones pueden alcanzar un nivel igual o superior al umbral de fatiga del material de la cercha. Los movimientos en los soportes de la escalera mecánica dependen de la profundidad y el tamaño de la excavación, que se realiza junto al túnel de la escalera mecánica. Estos movimientos pueden causar una joroba o hundirse en la armadura (Figuras 9 y 10). Estos cambios pueden ser graduales o repentinos a lo largo de la escalera mecánica. El movimiento lateral gradual a lo ancho de la escalera mecánica hace que la armadura y los conjuntos internos se incline hacia los lados.

El informe del estudio geotécnico sobre el movimiento del suelo sugiere que la mayor parte del movimiento ocurrirá cerca del túnel, que contiene las escaleras mecánicas 3-5 (Figura 1). Como resultado, estas escaleras mecánicas fueron equipadas con sensores para monitorear sus estructuras y desempeño. Para asegurarse de que la estación permaneciera abierta a los pasajeros, al menos dos de las tres escaleras mecánicas permanecieron en funcionamiento, con una escalera mecánica en cada dirección. (En un caso extremo, la estación puede permanecer abierta cuando solo hay una escalera mecánica en funcionamiento, siempre que esté en la dirección ascendente).

Para garantizar la integridad estructural de al menos dos escaleras mecánicas (3 y 5), se instalaron gatos hidráulicos después de modificar los soportes verticales en la cercha (Figura 11). Los gatos son capaces de un movimiento vertical de 25 mm. La idea era utilizar este movimiento para ajustarse a cualquier movimiento del suelo. Se instaló una celda de carga en cada gato para monitorear la fuerza vertical en cada pata de apoyo. Como los soportes verticales en el rellano inferior y a lo largo de la pendiente se modificaron desconectándolos de sus zócalos e instalando gatos entre cada uno, se ignoraron las tensiones residuales. Esto significa que todas las tensiones en la armadura comenzaron desde cero. Se montaron galgas extensométricas (Figura 12) en o cerca de las bahías críticas para monitorear los niveles de tensión (durante la etapa de reconstrucción y cuando las escaleras mecánicas estaban en pleno funcionamiento).

Detección de espacios y espacios críticos en las escaleras mecánicas

Los espacios y espacios más críticos para la seguridad en cualquier escalera mecánica son los que se encuentran entre las secciones de peine y la banda del escalón. Estos espacios libres deben mantenerse a 4-6 mm. Las placas de la banda de rodadura están atornilladas en la parte superior de cada escalón en la banda del escalón. Estas placas tienen tacos que permiten que el escalón pase a través de las secciones de peine en los descansos superior e inferior. Un movimiento del suelo en la cimentación podría comprometer el espacio libre entre las secciones del peine y los escalones, causando un peligro significativo para los pasajeros. Una colisión entre la banda del escalón y las secciones de peine puede tener serias implicaciones en la integridad estructural de la escalera mecánica, ya que podría afectar a muchos componentes y ensamblajes críticos dentro de la escalera mecánica. 

Se han utilizado sensores de olla de hilo (Figura 13) para monitorear los movimientos verticales y horizontales en las secciones del peine. El cuerpo del sensor se colocó en el suelo o en las pestañas laterales del túnel, mientras que el extremo de la cuerda se conectó a las secciones del peine. Se incorporó un "paso inteligente" en la banda de paso. El escalón mide deformaciones, deflexiones y tensiones que la banda escalonada podría soportar durante el funcionamiento. Puede controlar indirectamente si los espacios libres se han visto comprometidos.

Detección de datos en vivo

Arcadis ha diseñado un software y un hardware a medida y encargado a Tube Lines (Figura 14). El sistema es capaz de registrar, almacenar y monitorear datos, y proporciona datos de salida en tiempo real que detallan los niveles de movimiento en diferentes ubicaciones de la escalera mecánica. El sistema también asegura un ajuste oportuno, controlable y preciso (si es necesario) durante los períodos de movimiento del suelo. Los datos recopilados ayudaron a formar la filosofía y el método de elevación para ajustar la estructura de la escalera mecánica. Las salidas de los sensores tienen valores calibrados, con corriente variable, medidos con una unidad terminal remota Fastflex de Siemens (RTU). Es posible que la RTU interactúe con una computadora a través de un conmutador de red y equipo de comunicaciones para permitir el monitoreo desde una ubicación remota, como una oficina.

Conclusiones

Se instalaron sistemas de monitoreo de escaleras mecánicas para mitigar los riesgos comerciales, técnicos y de seguridad. Pueden tener implicaciones comerciales al racionalizar los programas de mantenimiento para hacer funcionar de manera eficaz y eficiente máquinas como las escaleras mecánicas. Los sistemas también pueden monitorear el impacto del movimiento del suelo si hay trabajos de excavación o construcción adyacentes a las escaleras mecánicas. Los sistemas de monitoreo pueden desempeñar un papel importante para garantizar que las escaleras mecánicas sean seguras. También se pueden utilizar para I + D para explorar los comportamientos y la geometría de las vigas de las escaleras mecánicas y sus ensamblajes submecánicos.

El sistema de monitoreo, que se ha implementado en TCR, es integral, lo que garantiza que el funcionamiento de las escaleras mecánicas tanto en condiciones normales como en movimientos del suelo sea seguro. El sistema consta de sensores conectados a los soportes del truss en forma de células de carga. Las celdas de carga están integradas en gatos hidráulicos, que se utilizan para ajustar la armadura y compensar los movimientos del suelo. Se incorpora una celda de carga en cada gato. Las células de carga miden los valores de las fuerzas de reacción en los cimientos de la escalera mecánica cuando se produce el movimiento del suelo.

Las holguras críticas, como el espacio entre la sección del peine y la banda de paso, se controlan mediante un potenciómetro de cuerda y un paso inteligente. El potenciómetro de cuerda mide las holguras en milímetros, mientras que el escalón inteligente mide las tensiones y tensiones en la banda del escalón. Los datos se recopilan y visualizan mediante un software a medida. Se utiliza un visor de interfaz de Windows para monitorear los datos en vivo de los sensores y permite al usuario descargar datos históricos. Un documento futuro sobre este tema arrojará luz sobre el tipo, el estilo y la coherencia de los datos registrados en el sistema. También proporcionará información sobre el patrón de curvas y las relaciones entre las distintas salidas del sensor contra el movimiento del suelo. El próximo artículo de su autor mostrará los datos de los sensores en tiempo real. Por tanto, mostrará las relaciones entre los parámetros medidos.