Monitorización de la salud estructural del puente de hormigón pretensado en Suecia

Mientras pesados camiones mineros retumban a lo largo del envejecido puente Autio en el norte de Suecia, los ingenieros buscan comprender sus vulnerabilidades ocultas. Construido en 1963, el puente ahora está vigilado de cerca por una red de avanzados dispositivos de adquisición de datos Dewesoft hechos a medida, transformándolo en un laboratorio vivo. El acto final del puente: enseñar a las futuras generaciones cómo gestionar, mantener y diseñar infraestructuras más seguras e innovadoras.

A medida que la infraestructura de Suecia afronta una creciente presión por las demandas modernas, el envejecido puente Autio, frecuentemente atravesado por camiones mineros pesados, se ha convertido en un desafío estructural y una valiosa oportunidad de investigación.

Ingenieros de la Universidad Técnica de Luleå y Dewesoft Suecia han transformado este puente de hormigón pretensado, con grietas, en un laboratorio de monitoreo a escala real. Lo han equipado con sensores de alta precisión para estudiar su comportamiento bajo carga y condiciones climáticas. El proyecto no solo mejora la seguridad pública, sino que también impulsa el desarrollo de herramientas digitales para la gestión de puentes a nivel nacional.

Un puente de los años 60

Diseñado y construido por Byggnads AB Contractor en 1963, el puente Autio es una estructura continua de tres vanos que se extiende unos 135 metros sobre el río Torne. Su diseño utilizó la innovadora técnica del pretensado. Es como una estructura cuyos elementos están comprimidos por una gran banda elástica invisible que los mantiene firmemente unidos.

En el hormigón, el pretensado consiste en introducir cables de acero de alta resistencia, llamados tendones, a través de conductos dentro de las vigas y tensarlos antes de anclarlos, de modo que el propio hormigón quede sometido a compresión.

El hormigón es muy resistente a esfuerzos de compresión, pero débil frente a la tracción. Al aplicar compresión previamente, puede resistir las fuerzas de tracción generadas por la flexión y las cargas, lo que permite diseñar vigas más largas y esbeltas que en el hormigón armado tradicional.

El puente Autio utilizó un sistema específico llamado BBRV, en el que cada cable estaba formado por 32 finos cordones de acero, similares a un conjunto de alambres de alta resistencia agrupados.

Las vigas principales del puente son de gran tamaño, con un ancho aproximado de 0,7 a 1,0 metros y una altura superior a 2 metros en algunos puntos, soportando una losa de hormigón. El hormigón utilizado era bastante resistente para la época, con una resistencia a compresión de aproximadamente 45 MPa (K450) en las vigas y 30 MPa (K300) en la losa. Las barras principales de refuerzo eran de tipo Ks40 (límite elástico de 400 MPa) en las vigas y Ks60 (600 MPa) en la losa.

Mientras que los cables de pretensado proporcionan la resistencia principal frente a la flexión, se colocan barras de acero más pequeñas, llamadas estribos, de forma vertical dentro de las vigas. Su función principal es ayudar al hormigón a resistir fuerzas cortantes, es decir, fuerzas que tienden a “cortar” la viga.

En el diseño original del puente Autio, los ingenieros consideraron que el pretensado y el propio hormigón soportarían la mayor parte de los esfuerzos cortantes, por lo que incluyeron solo una cantidad mínima de estribos, barras delgadas de Ø10 mm espaciadas cada 250 mm. Este detalle, aparentemente menor, se convertiría más tarde en un factor clave en la historia del puente.

El desafío, camiones mineros pesados

En los últimos años, los ingenieros que inspeccionaban el puente Autio comenzaron a observar grietas finas, casi horizontales, en las vigas principales. No eran simples defectos superficiales, sino grietas significativas que recorrían las vigas, a menudo paralelas a los cables de pretensado. Inicialmente, en 2014 se registraron alrededor de 20 grietas, de anchura muy pequeña. Sin embargo, en septiembre de 2020, el número había aumentado a unas 60, algunas alcanzando hasta 0,5 mm de ancho y extendiéndose hasta 33 metros de longitud.

Monitoring for the future

The Autio bridge, as a research subject, didn't end with the 2020 traffic closure or the decision to demolish it. The engineers saw an opportunity to gain even more invaluable data from the structure in its final years, turning its impending retirement into a teaching moment for future bridge management.

After the closure in 2020, engineers installed additional sensors. Among these were 16 accelerometers strategically placed across the top of the bridge deck. These weren't just about monitoring daily safety; they had a crucial dual purpose for this final phase of the bridge's life and beyond.

¿Por qué se estaba agrietando este sólido puente de hormigón? Los ingenieros identificaron varias posibles causas:

• Suposiciones de diseño antiguas

En la década de 1960, los ingenieros probablemente sobreestimaron la capacidad del hormigón para resistir esfuerzos de tracción en cortante en comparación con los estándares actuales.

• El paso del tiempo y el clima extremo

El hormigón cambia con las décadas. Procesos naturales como la retracción y la fluencia, es decir, la deformación lenta bajo carga constante, modifican la distribución de tensiones. Además, el puente Autio se encuentra en el norte de Suecia, una región con variaciones térmicas extremas. El hormigón se expande en verano y se contrae en inviernos muy fríos. Este diferencial térmico, que puede superar los 60 °C al año, genera tensiones significativas en la estructura.

• Pérdida de pretensado

Aunque el sistema está diseñado para mantener la tensión, las fuerzas de pretensado disminuyen con el tiempo debido a la relajación del acero y a la fluencia o retracción del hormigón. Si esta “banda elástica” se afloja, el hormigón pierde parte de su compresión protectora.

Todos estos factores generan tensiones de tracción. Cuando estas superan la limitada resistencia del hormigón, aparecen grietas. Y aquí vuelve a ser relevante la escasa presencia de estribos: no son lo suficientemente robustos para mantener las grietas cerradas y evitar su propagación.

A esto se suma el cambio en el tráfico. La Administración Sueca de Transporte (Trafikverket), propietaria del puente, lo comparte con la empresa minera Kaunis Iron, cuyos camiones, de hasta 90 toneladas, cruzan regularmente el río.

Estos vehículos, mucho más pesados que los considerados en 1963, generan esfuerzos que superan las condiciones de diseño. Aunque el puente parece soportar adecuadamente la flexión, el paso repetido de estas cargas somete la estructura a grandes tensiones, especialmente en cortante y en la fatiga de los estribos.

La fatiga puede compararse con un material que se “cansa”. Ciclos repetidos de carga, incluso por debajo del límite resistente, provocan daños microscópicos que con el tiempo pueden derivar en fallos. Los ingenieros sospechan que los estribos están expuestos a este fenómeno.

El puente bajo observación, monitoreo estructural

Para comprender mejor el comportamiento del puente, se instaló un sistema avanzado de monitoreo estructural:

• Galgas extensométricas: sensores que miden deformaciones en el hormigón o en el acero.

• Sensores de deflexión: dispositivos como el sistema Noptel que registran la deformación de las vigas bajo carga.

• Monitoreo de grietas: mediciones periódicas del crecimiento de las fisuras.

• Sensores de temperatura: permiten diferenciar efectos térmicos de problemas estructurales.

Este sistema, junto con unidades DAQ, proporciona un flujo continuo de datos. Su objetivo no es solo evaluar la seguridad inmediata, sino también estudiar el comportamiento a largo plazo de un puente antiguo bajo condiciones actuales de tráfico y clima.

De la reparación al reemplazo

Durante un tiempo, el monitoreo mostró un aumento lento de las grietas y niveles de tensión relativamente bajos, incluso con tráfico pesado.

Sin embargo, en noviembre de 2020, el sistema detectó cambios preocupantes. Aunque se investigaron posibles causas, la incertidumbre llevó a cerrar el puente al tráfico el 11 de noviembre de 2020 como medida preventiva.

Los análisis posteriores confirmaron que, aunque la capacidad a flexión era suficiente, existían riesgos en cortante y en la fatiga de los estribos, directamente relacionados con las grietas observadas.

Debido a la antigüedad, el diseño original y las exigencias actuales, se tomó una decisión clave: sustituir el puente en lugar de reforzarlo.

El puente Autio será demolido y reemplazado en la misma ubicación, con inicio de demolición previsto para junio de 2025.

Monitoreo para el futuro

El proyecto no terminó con el cierre. Los ingenieros aprovecharon la situación para obtener más datos en los últimos años de vida del puente.

Tras el cierre, se instalaron sensores adicionales, incluidos 16 acelerómetros distribuidos sobre la superficie del tablero. Estos dispositivos no solo permiten continuar el seguimiento, sino que también sirven para generar conocimiento valioso que ayudará en la gestión de infraestructuras similares en el futuro.

Los ingenieros instalaron cuidadosamente estos pequeños y sensibles dispositivos directamente sobre la superficie del puente. Para garantizar una fijación segura, se montaron sobre placas metálicas robustas atornilladas a la estructura de hormigón. El proceso de instalación fue notablemente eficiente, ya que solo requirió un día para que dos ingenieros fijaran los 16 acelerómetros y su cableado asociado a lo largo del tablero del puente.

Estos acelerómetros forman parte de un sofisticado sistema de monitoreo de Dewesoft. Una ventaja clave de este sistema es el uso de la tecnología EtherCAT, que permite conectar los acelerómetros en cadena.

De este modo, múltiples sensores pueden enlazarse en serie, simplificando considerablemente el cableado. En lugar de llevar cables individuales desde cada uno de los 16 acelerómetros, el sistema EtherCAT requiere solo dos cables que se conectan a la unidad central de adquisición de datos (DAQ), instalada en uno de los estribos del puente.

Esta red optimizada de 16 acelerómetros proporciona una visión completa del comportamiento vibratorio y del movimiento del puente en su conjunto. La unidad DAQ recoge los datos de todos estos canales para su análisis.

Sensores IOLITE 3xMEMS

Más concretamente, se seleccionaron acelerómetros uniaxiales con protección IP67 de la familia IOLITE 3xMEMS. Se trata de una gama de dispositivos de adquisición de datos que integran un acelerómetro MEMS triaxial, conversión analógico-digital e interfaz EtherCAT, todo basado en la plataforma modular IOLITE.

Los dispositivos Dewesoft IOLITEi 3xMEMS-ACC destacan por su bajo nivel de ruido. El modelo IOLITEi 3xMEMS-ACC presenta una densidad espectral de ruido de 25 µg/√Hz, mientras que el IOLITEi 3xMEMS-ACC-S alcanza un nivel ultrabajo de 0,7 µg/√Hz, comparable con los mejores acelerómetros de tipo force-balanced.

Los IOLITEi 3xMEMS-ACC son acelerómetros con respuesta en continua, capaces de medir aceleraciones estáticas desde 0 Hz. Mediante cálculos en el software DewesoftX, es posible obtener velocidad, desplazamiento y también ángulos estáticos de inclinación a partir de estas mediciones.

Estos dispositivos están basados en EtherCAT y ofrecen una sincronización de hasta 1 µs entre dispositivos, algo esencial para análisis modal operacional, donde se estudian frecuencias naturales, formas modales y amortiguamiento.

Los dispositivos pueden distribuirse fácilmente en estructuras de gran tamaño y sincronizarse mediante un único cable CAT6 económico, con distancias de hasta 100 m entre nodos. Mediante convertidores ópticos, se pueden alcanzar distancias superiores a 20 km manteniendo la sincronización de 1 µs.

La carcasa IP67 es resistente al agua y adecuada para condiciones exigentes, con un rango de funcionamiento de -50 °C a 65 °C.

Los dispositivos se conectan en cadena mediante cables Ethernet estándar, preferiblemente blindados (SFTP, CAT5e) con un grosor mínimo de 24 AWG y cuatro pares de hilos. La distancia máxima entre nodos es de 100 m.

Para la alimentación, se utiliza un inyector PoE pasivo que combina energía y señal EtherCAT en un solo cable. El inyector de alimentación IOLITE está diseñado para uso industrial e incluye protección contra sobretensiones y picos eléctricos.

La gran cantidad de datos generados por este sistema se procesa y se pone a disposición de forma inmediata a través de la potente plataforma de software DewesoftX. Esta plataforma permite a ingenieros e investigadores visualizar los datos de los sensores en tiempo real, observando las vibraciones y respuestas del puente a medida que ocurren. Esta capacidad en tiempo real es clave tanto para la monitorización inmediata como para un análisis detallado.

Estos acelerómetros no solo se utilizaron para la monitorización diaria, sino que cumplían un doble propósito clave en la fase final de vida del puente y para el futuro:

• Captura del comportamiento dinámico del puente: miden la respuesta dinámica global de la estructura, es decir, cómo vibra y se mueve bajo acciones como el viento, los cambios de temperatura o el ruido ambiental. Estos datos permiten identificar las frecuencias naturales y los modos de vibración, su “huella estructural” en movimiento.

• Aplicación en proyectos futuros: los ingenieros utilizan estos datos para actualizar y perfeccionar los modelos numéricos desarrollados durante la fase de evaluación. Comprender con precisión el comportamiento del puente es esencial para planificar operaciones complejas como su demolición, permitiendo prever las respuestas estructurales y garantizar un proceso seguro. Además, los datos de esta estructura envejecida y fisurada constituyen un valioso caso de estudio para validar modelos utilizados en el diseño y evaluación de futuros puentes.

La iniciativa “puentes digitales”

Nuestro trabajo en el puente Autio forma parte de un proyecto más amplio y ambicioso cuyo objetivo es revolucionar la gestión de infraestructuras envejecidas. Conocido como el proyecto Digital Bridges, su propósito es crear una plataforma integral para el mantenimiento predictivo y la gestión del ciclo de vida de puentes en Suecia y más allá. Este sistema integra datos de múltiples fuentes, superando las inspecciones tradicionales mediante un enfoque basado en datos.

El concepto central de la plataforma Digital Bridges se basa en comprender un puente en tres niveles interconectados:

• Nivel de elemento: es el nivel más detallado y se centra en los datos de sensores instalados directamente en componentes individuales del puente, como galgas extensométricas en armaduras, acelerómetros en el tablero o sensores de temperatura. Proporciona información en tiempo real sobre el estado y comportamiento de partes específicas.

• Nivel de componente: este nivel agrupa información sobre los principales elementos estructurales o el puente completo. Incluye informes de inspección, planos de diseño y herramientas modernas como modelos de elementos finitos, que actúan como gemelos digitales. Aquí se realizan análisis globales del comportamiento estructural.

• Nivel de red: es el nivel más amplio e incluye factores externos que afectan al rendimiento del puente y al sistema de transporte en general. Considera datos de vehículos, tráfico y condiciones climáticas como temperatura, precipitaciones y eventos extremos.

Todos estos datos alimentan la plataforma Digital Bridges, que actúa como el núcleo del sistema. Aquí, algoritmos inteligentes basados en inteligencia artificial analizan grandes volúmenes de información, identifican patrones ocultos, detectan anomalías sutiles y predicen el deterioro de los distintos componentes del puente a lo largo del tiempo.

Este análisis genera resultados clave para la gestión de infraestructuras:

• Indicadores de rendimiento del puente (BPI): funcionan como un informe de estado, transformando datos complejos en métricas claras sobre el rendimiento actual del puente y posibles riesgos futuros.

• Integración de economía circular (CEI): evalúa las opciones de mantenimiento no solo desde el punto de vista estructural, sino también ambiental, priorizando soluciones sostenibles que prolonguen la vida útil del puente.

El puente Autio actúa como caso de estudio dentro del proyecto Digital Bridges. Su combinación de diseño antiguo, grietas, cargas modernas y monitorización avanzada lo convierte en un entorno ideal para desarrollar y validar modelos de inteligencia artificial, indicadores BPI y estrategias CEI.

Este enfoque permite traducir el comportamiento físico del puente en datos digitales procesables, lo que facilita la creación de modelos predictivos y gemelos digitales.

Conclusión

La combinación de datos de sensores, modelos estructurales y condiciones externas permite construir una imagen digital completa del estado del puente y prever su evolución. Este conocimiento es clave tanto para su gestión final como para el desarrollo de soluciones aplicables a miles de puentes en el futuro.

Este trabajo ha sido posible gracias al apoyo de entidades como la Administración Sueca de Transporte (Trafikverket), Vinnova e iniciativas de innovación en infraestructuras, así como organismos dedicados al desarrollo económico y regional.

Aunque el puente Autio será demolido en 2025, sigue desempeñando un papel crucial, proporcionando datos valiosos que contribuirán al diseño, mantenimiento y seguridad de futuras infraestructuras. Su última función es servir como base de aprendizaje para la próxima generación de puentes.

Thanks to groups related to the project