Mediciones dinámicas de dos puentes colgantes de la Carretera Austral

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La Carretera Austral es la infraestructura principal de la Región de Aysén del sur de Chile. Conocida por sus espectaculares paisajes y su clima extremo, esta región es un polo turístico para aventureros internacionales y locales. La carretera se extiende hacia el sur desde Puerto Montt hasta Villa O'Higgins durante unos 1.240 kilómetros pasando por la Patagonia rural. Estas áreas están escasamente pobladas y, sin embargo, sin la carretera, sus residentes no tendrían conectividad terrestre con el norte del país. Además, su accidentada geografía y sus grandes ríos (que sí traen agua durante todo el año, a diferencia de los "ríos" del norte de Chile) obligan a la carretera a tener transbordadores en algunos fiordos y puentes colgantes sobre ríos.

La mayor parte de la infraestructura de la Carretera Austral fue construida o ampliada en la década de los 90’. Por lo tanto, debido a los años transcurridos, se deben realizar inspecciones y análisis de sus principales puentes colgantes. Para evaluar su estado actual, el Ministerio de Obras Públicas (MOP) está contratando empresas privadas, a través de licitaciones públicas, para inspeccionar, ensayar y verificar sus diseños. Bajo este esquema, MOP confió a la empresa constructora de carreteras R&Q la evaluación de los puentes Palena y Rosselot cercanos a la localidad de La Junta. A su vez, R&Q contrató a COWI para la evaluación del diseño estructural, MRH para la inspección y HochBau para las mediciones dinámicas durante las pruebas de carga

Los puentes

Los puentes Palena y Rosselot, con 150 m y 130 m de luz libre respectivamente, tienen dos torres metálicas que soportan los cables. La cubierta del puente de hormigón armado está soportada por varillas verticales que cuelgan de los cables principales. La cubierta es rigidizada por dos cerchas metálicas laterales de 2,1 m de altura. Los trabajos de inspección descubrieron varias fracturas cerca de las conexiones de las cerchas rigidizadores y varios otros defectos. Además, a diferencia de la mayoría de los puentes colgantes, las cubiertas tienen varias juntas de expansión a lo largo de su luz, las que están desniveladas y con sus bordes desgastados.

Como complemento de las pruebas de carga que se llevaron a cabo en los puentes, HochBau fue contratado para medir la respuesta dinámica de los puentes. Las pruebas de carga se llevaron a cabo con un camión tolva de tres ejes de 23 toneladas.

Se definieron tres tipos de ensayos de carga:

1. Prueba de carga estática: El camión se estaciona a 1/4, 1/2 y 3/4 del tramo del puente y la flecha de los puentes se mide con un nivel de ingeniero.

2. Prueba de carga dinámica: El camión recorre el puente en ambas direcciones a 5 km/h, 15 km/h y 25 km/h mientras se realizan mediciones dinámicas. La respuesta dinámica se registra durante estas pruebas.

3. Mediciones de Vibración Ambiental:  Se registra la respuesta de los puentes bajo excitación ambiental (viento, río, algo de tráfico, etc.). Los resultados se utilizan para determinar las frecuencias naturales y las formas modales de vibrar (OMA)

Trabajando en la lluvia

Las mediciones durante las Pruebas de Carga Dinámica y las Mediciones de Vibración Ambiental fueron realizadas por HochBau. Se acordó con el cliente que se utilizaría un total de seis puntos de medición de aceleración a ambos lados de 1/4, 1/2 y 3/4 de la luz libre de los puentes. Se debían medir las direcciones verticales y transversales en los seis puntos, y la dirección longitudinal en al menos 2 puntos, lo que ya constituía al menos 14 canales.

Para lograr este desafío de forma exitosa se debían superar varios obstáculos, principalmente:

1. Ubicación geográfica: La Junta está a 1.415 km de Santiago, la capital de Chile.  Todo el sistema de medición, las herramientas y todos los suministros tenían que ser llevados en automóvil hasta allá. Se necesitaba una planificación meticulosa; si algo se quedaba atrás, no lo podríamos conseguir en Aysén.

2. Poco tiempo de preparación: La entrega de hardware toma su tiempo. La entrega en medio de una pandemia, y una escasez de chips y materias primas lleva aún más tiempo. Teniendo solo dos meses desde el aviso hasta la ejecución de los trabajos in-situ del proyecto, el tiempo era escaso.

3. Estructura flexible (puentes): En el aspecto técnico, se tuvo que tomar una decisión sobre qué tecnología de sensores de vibración se utilizarían; ¿Piezoeléctricos, MEMs, de Balance de Fuerza? A pesar de no saber cuáles eran las frecuencias naturales más bajas de los puentes, la intuición y experiencia dictaba que tenían que estar bastante por debajo de 1 Hz.

4. Longitud de los puentes: Estos puentes no tienen berma y, por lo tanto, no tienen lugar en la estructura para que una persona registre y supervise las mediciones. La longitud de los puentes significaba cables largos. Si se utilizaran sensores con cables analógicos, los equipos registradores tendrían que acercarse a los sensores, ya que el cable más corto podría haber sido de más de 40 m.

5. Tiempo de instalación: El sistema de medición tenía que ser instalado y listo para medir el mismo día en que se realizarían las pruebas de carga. La preinstalación del sistema no era una opción, ya que la posibilidad de que los equipos y/o los cables sean robados es real aquí en América Latina.

6. ¡¡¡El clima !!!: Chile es conocido como un país árido; incluso alberga el desierto más seco del planeta. Pero a pesar de esto, la Región de Aysén compite con algunas de las regiones más lluviosas del mundo. A pesar de que llueve todo el año allí, las pruebas se llevaron a cabo en julio, en el apogeo del invierno de América del Sur. Las lluvias torrenciales y temperaturas cercanas a 0° eran algo garantizado. 

Un sistema robusto para condiciones adversas

Teniendo en cuenta todos los aspectos antes mencionados, había que tomar algunas decisiones, tanto prácticas como técnicas. Debido a las bajas frecuencias a medir los acelerómetros debían tener respuesta DC, es decir desde 0Hz, y por lo tanto los sensores piezoeléctricos fueron descartados como opción.

Comparando los MEMS y los sensores de Balance de Fuerza, estos últimos ofrecen un rango dinámico mucho más alto y habrían sido nuestra primera opción si midiéramos un edificio muy alto o aislado en la base. Para las pruebas dinámicas, ambos son adecuados; pero ¿sería suficiente la relación señal-ruido de los MEMS para las mediciones de vibración ambiental?

Para esta campaña, sabíamos que la excitación ambiental externa (viento, ríos, tráfico, etc.), sería lo suficientemente grande, incluso para el rango dinámico de 90 dB de los acelerómetros MEMS. Pero antes de decidir debemos considerar el tema del cableado: si se usaban sensores analógicos luego está el tema del cableado. Si se usaban sensores analógicos, los equipos registradores tenían que acercarse a los sensores; tener 14 cables entre 45 m y 105 m de longitud no era una opción, debido al costo y al ruido adicional que los cables inferirían en las señales medidas.

Afortunadamente, una solución de medición práctica y rentable estaba a la mano. El IOLITE 3xMEMS-ACC combina un acelerómetro MEMS triaxial de bajo ruido y un módulo ADC (es decir, un equipo registrador local) en un solo equipo relativamente pequeño. 

Dado que las mediciones se procesan directamente en el sensor, los resultados se envían digitalmente a través del protocolo EtherCAT a través de cables ethernet (CAT5e o CAT6). El protocolo EtherCAT tiene la ventaja de la sincronización inherente de tiempo entre todos los sensores y también permite conectar los sensores en serie o, con un Beckhoff switch para EtherCAT, en ramas. Además, los sensores son compatibles con Power Over Ethernet (PoE), lo que permite alimentar el sensor a través del mismo cable que transporta los datos, sin tener que llevar energía a través de cables largos individualmente a cada sensor. Pero para facilitar aún más la decisión, ¡los IOLITE-MEMS se pueden comprar con carcasa de aluminio IP67! No obstante, para ser estancos, estos últimos necesitan que el cable de red pase a través de los prensaestopas impermeables antes de enchufar el conector RJ45 al sensor, para luego cerrar la cubierta de la carcasa de aluminio.

Ahora, no se entusiasmen demasiado todavía. ¿Recuerdan el problema de la entrega/cadena de suministro? El tiempo de fabricación y entrega de Dewesoft, con tan poca antelación, solo permitió la entrega de tres MEM impermeables. 

Afortunadamente, nuestro proveedor local Varitec nos arrendó tres MEMS de uso interior (mismas especificaciones, sin carcasa IP67). Ahora nos reducimos a solo dos problemas: ¿cómo impermeabilizar los tres MEMS interiores y cómo evitar la apertura y la conexión in situ de los cables ethernet de los MEMS impermeables? (¡esto último también habría tomado mucho tiempo en terreno!) Bueno, tuvimos que hacerlo a la antigua, envolviendo los MEMS interiores en película plástica y preinstalar cables de Ethernet de 30 cm a los MEMS impermeables. La conexión con los cables más largos se realizó a través de coplas RJ45. Debido a la rugosidad de la cubierta de hormigón, los MEMS se sujetaron a placas gruesas de acero que se atornillaron a la cubierta del puente.

Dicho todo esto, solo faltaba el diseño del sistema. Junto con el área de soporte técnico de Varitec, se eligió una arquitectura en serie por sobre una arquitectura de rama, ya que de esta manera se tendría un único cable CAT6 de 250 m, solo se necesitaría un PoE y ningún switch EtherCAT. La siguiente imagen muestra dónde se ubicaron los sensores y cómo se colocaron los cables, utilizando el Puente Palena como ejemplo. El cable se cruzó del tercer sensor al cuarto a través de las juntas de expansión. El software de medición tenía que residir en un computador en un lugar seguro y seco, por lo que se estacionó un automóvil (SUV) cerca de las entradas de los puentes (estación de control), desde donde también se alimentaba el sistema con un generador móvil a gasolina

Pero todavía quedaba un último problema. Desde el automóvil, el ingeniero de medición no tendría visibilidad sobre la cubierta del puente y estaría trabajando a ciegas sin ver el paso del camión, descansando únicamente en la comunicación por radio. Por lo tanto, se colocó una cámara web USB en las entradas de los puentes y se integró al entorno DewesoftX . La distancia de 15 m a los puentes se superó con un extensor USB a través de Ethernet.

Los resultados

Como se mencionó anteriormente, se realizaron mediciones con el camión en movimiento a diferentes velocidades y mediciones de vibración ambiental.

Las mediciones durante las pruebas de carga dinámica mostraron que los valores RMS de la respuesta de los puentes aumentan linealmente con la velocidad y son mayores en la dirección vertical (alrededor de 0,01 g a 25 km/h). Sin embargo, también se puede observar que siempre hay varios impactos mientras el camión está pasando, independientemente de la velocidad, con crest factors de hasta 14, alcanzando hasta 0,15 g en la dirección vertical y 0,06 g en la dirección lateral. Se concluyó, a través de observaciones de las imágenes sincronizadas de la cámara web, que los impactos son causados, o al menos amplificados, por las juntas de expansión desniveladas y desgastadas.

Con los registros de vibración ambiental se determinaron las frecuencias y modos naturales de vibrar de los puentes. El puente de Palena se utiliza como ejemplo, ver las siguientes figuras. El primer modo horizontal era mucho más bajo de lo predicho por el modelo de elementos finitos estructural; pero esto era esperable al contabilizar las deficiencias estructurales que se identificaron durante la inspección visual. Los tres primeros modos verticales fueron claramente identificados. Estos resultados fueron un aporte valioso para los ingenieros estructurales que con ellos pudieron calibrar sus modelos de elementos finitos, lo que, a su vez, les permitió proponer mejoras y refuerzos para los puentes con un mayor grado de certeza.

Furthermore, the first three vertical modes were clearly identified. These results were valuable input for the structural engineers to calibrate their finite element models for further analysis and assessment of possible retrofit options. 

Decantando la experiencia

Las campañas de medición pueden diferir mucho dependiendo de la ubicación geográfica. Al momento que el clima local está dominado por cuantiosas lluvias, todos los detalles de la arquitectura del sistema y la logística necesitan de un cuidado aún mayor. 

Las mediciones dinámicas de las pruebas de carga con el camión mostraron ser un valioso aporte a los ingenieros estructurales que evaluaron el estado actual de los puentes. Las posibles propuestas de refuerzo y el alargue de su vida útil se evaluarán con un modelo de elementos finitos calibrado en lugar de solo uno teórico, gracias a los datos adquiridos.

Este proyecto destaca la importancia del monitoreo de puentes y otras infraestructuras críticas. Con la disminución del costo de la tecnología y el aumento de la conectividad de la red, incluso en ubicaciones remotas (¿cómo andamos con las redes móviles 5G y Starlink?), nuestro objetivo es el diseño de Sistemas de Monitoreo de Salud Estructural continuos y permanentes para los puentes de hoy y mañana.

PD: Recientemente se utilizó un sistema ampliado que incluye galgas extensométricas y RTD de temperatura para mediciones en otros dos puentes colgantes, más abajo en la Patagonia.