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Monitoreo estructural dinámico de un puente de carretera
Los puentes son elementos significativos en nuestra vida cotidiana. Conectan a las personas y permiten el flujo vital de bienes y servicios. Cualquier daño o, en el peor de los casos, un colapso puede tener consecuencias trágicas. Los ingenieros desarrollan nuevos sistemas de monitorización de la salud estructural para evitar tales escenarios. La empresa eslovena Cestel lleva a cabo un proyecto innovador para identificar dinámicamente el estado del puente correlacionando su respuesta estructural con la carga de tráfico. El sistema de monitorización incluye sensores Dewesoft.
Bajo el puente principal de Tomačevo existe un pequeño mundo que normalmente solo visitan paseantes o corredores. Los pilares están cubiertos de grafitis, y es precisamente aquí donde el equipo de Cestel tiene trabajo.
Cestel es una empresa eslovena y uno de los líderes mundiales en sistemas de pesaje dinámico en movimiento, análisis de tráfico y evaluación de puentes. En 2022 inició un proyecto de monitorización estructural basado en un enfoque innovador para comprender el comportamiento de los puentes a lo largo del tiempo. Su método identifica dinámicamente el estado del puente a partir de la correlación entre la respuesta estructural, como frecuencias naturales, modos de vibración y amortiguamiento, y las cargas reales del tráfico.
Matija Mavrič, responsable de ventas y marketing en Cestel, explica que el objetivo es mejorar continuamente la tecnología existente y desarrollar nuevas aplicaciones. Su solución Bridge WIM Diagnostic no solo proporciona información sobre vibraciones, movimientos, grietas y condiciones climáticas, sino también sobre el peso de los camiones que cruzan el puente.
El envejecimiento de los puentes es un problema global, y muchos propietarios se preguntan si siguen siendo seguros. Por ello, la monitorización estructural continua se vuelve esencial. Estos sistemas suelen basarse en tres componentes principales:
Dispositivos de adquisición de datos
Sensores como acelerómetros, sensores de temperatura, galgas extensométricas o sensores de viento
Software para procesar y visualizar los datos
Tras varios colapsos recientes, este tema se ha convertido en una prioridad internacional. La Unión Europea ha lanzado el proyecto BIM4CE, centrado en la monitorización de puentes mediante datos en tiempo real y gemelos digitales en Europa Central.
El problema
El mantenimiento regular es clave para garantizar la seguridad y la vida útil de los puentes. La falta de mantenimiento puede provocar defectos estructurales que aumentan el riesgo de fallo. La inspección y monitorización permiten detectar problemas antes de que se vuelvan críticos.
Los colapsos suelen deberse a una combinación de factores como envejecimiento, defectos de diseño o construcción, errores de fabricación o eventos inesperados. También pueden influir accidentes, incendios o fenómenos naturales como inundaciones o terremotos.
Algunos colapsos recientes de puentes
Morbi, India, 2022
Øyer, Noruega, 2022
Weymouth, Reino Unido, 2020
Mirepoix-sur-Tarn, Francia, 2019
Nanfangao, Taiwán, 2019
Mumbai, India, 2019
Venecia, Italia, 2018
Génova, Italia, 2018
Miami, Estados Unidos, 2018
Estos casos evidencian la necesidad de invertir en inspección, mantenimiento y modernización de infraestructuras.
El puente de Tomačevo
El puente de Tomačevo es un puente de dos carriles que cruza el río Sava y forma parte de la carretera 104, una de las vías más transitadas entre Ljubljana y sus suburbios del norte. Está compuesto por dos estructuras independientes con dos carriles en cada dirección. Cada día lo atraviesan miles de vehículos, incluidos numerosos camiones de carga.
El puente de hormigón armado fue construido en 1982. Tiene siete vanos y una longitud de 204 m. Cada estructura tiene 11 metros de ancho e incluye dos carriles de tráfico, una acera y un carril bici. Estructuralmente, el puente consta de:
Ocho líneas de pilares de hormigón
Un tablero de hormigón
Dos vigas de hormigón
Una acera
Un parapeto
Instrumentación del puente
La monitorización de puentes ofrece múltiples beneficios que contribuyen a su seguridad y durabilidad:
Detección temprana de problemas estructurales: permite identificar fallos antes de que se vuelvan graves y tomar medidas correctivas a tiempo
Mejor planificación del mantenimiento: los datos ayudan a priorizar intervenciones y optimizar recursos
Mayor seguridad: permite detectar riesgos potenciales antes de que se vuelvan críticos
Ahorro de costes: al intervenir de forma temprana se evitan reparaciones más costosas o sustituciones
Mejor recopilación y análisis de datos: ayuda a mejorar el diseño y la construcción de futuras infraestructuras
En conjunto, la monitorización es una herramienta clave para garantizar la seguridad y la vida útil de los puentes, además de aportar información valiosa para proyectos futuros.
La solución Structural Bridge-WIM Diagnostic combina sensores WIM con acelerómetros MEMS triaxiales de bajo ruido.
El núcleo del sistema es el SiWIM Bridge Weigh-in-Motion de Cestel junto con acelerómetros triaxiales de Dewesoft. El objetivo es identificar dinámicamente el estado del puente correlacionando la respuesta estructural con las cargas reales del tráfico. Además del peso de los vehículos, se monitorizan otros parámetros:
Temperatura
Deformaciones
Velocidad del viento
Desplazamientos verticales
El sistema se instaló en una de las dos calzadas del puente, en el sentido hacia Ljubljana.
Sensores
SiWIM es un sistema WIM completamente portátil que permite pesar vehículos en movimiento, sin interrumpir el tráfico. Proporciona un método eficiente y no intrusivo para recopilar datos sobre pesos y patrones de tráfico, útil en diversas aplicaciones de gestión de infraestructuras.
Los sensores se instalan en la parte inferior del puente y miden las cargas dinámicas de los neumáticos. A partir de estos datos, se calculan los pesos de los vehículos.
Los sistemas Bridge-WIM se utilizan para múltiples aplicaciones, como control de vehículos pesados, recopilación de datos de tráfico y gestión de pavimentos y puentes. En el control de tráfico pesado, permiten identificar vehículos sobrecargados que pueden dañar la infraestructura y representar un riesgo para la seguridad. Integrados con cámaras, también permiten capturar imágenes de los vehículos y reconocer matrículas.
Los datos de tráfico recopilados mediante sistemas WIM proporcionan información valiosa sobre los patrones de circulación, lo que ayuda en la planificación y gestión del transporte. Además, estos datos permiten evaluar el estado estructural de la infraestructura e identificar zonas que requieren mantenimiento o reparación.
El sistema SiWIM mide generalmente las deformaciones en los elementos longitudinales principales del puente para registrar su comportamiento bajo cargas de vehículos en movimiento. Las mediciones se obtienen mediante sensores de galgas extensométricas SiWIM ST-504 instalados en la parte inferior del tablero del puente. Ningún componente del sistema es visible en la superficie de la calzada.
IOLITEiw-3xMEMS-ACC es un acelerómetro triaxial de bajo ruido (densidad espectral de ruido de 25 μg/√Hz) con DAQ integrado e interfaz EtherCAT. El dispositivo es completamente impermeable con protección IP67. Puede medir aceleraciones estructurales en los ejes X, Y y Z, inclinaciones estáticas y desplazamientos.
Cestel utiliza un Deflection Multi Meter (DMM) para medir la deflexión vertical del puente en tiempo real (frecuencia de muestreo de 10 Hz), basándose en una referencia óptica generada por un láser y un objetivo. El láser se instala en una superficie estable, mientras que el objetivo se coloca en el punto donde se desea medir la deflexión. El dispositivo tiene un rango de medición de 160 mm, una resolución de 0,5 mm y puede medir distancias de hasta 350 metros.
El Deflection Multi Meter (DMM) es un dispositivo de medición de nivel de nueva generación diseñado para monitorizar el estado de grandes estructuras portantes como puentes.
El sistema se basa en un láser plano, en este caso el Leica Rugby 830. En combinación con unidades DMM, permite medir la deflexión de la estructura en varios puntos. La medición en tiempo real lo diferencia de otros métodos. Es adecuado tanto para ensayos de carga como para monitorización a largo plazo.
Los sensores se conectan en serie y se comunican con un ordenador mediante un cable RS-485, que también suministra alimentación. El protocolo MODBUS permite la transferencia de datos y la integración con otros sistemas de medición. Los resultados pueden visualizarse con cualquier software compatible con MODBUS.
En muchas aplicaciones, las unidades DMM pueden fijarse a la estructura mediante abrazaderas o imanes, lo que facilita una instalación rápida y flexible.
Para monitorizar la temperatura ambiente y del asfalto, se instalan sensores PT100 tanto en el pavimento como bajo el puente.
Software de monitorización
La solución combina varios sistemas de software:
SiWIM: recopila datos de tráfico y permite analizar el comportamiento del puente mediante líneas de influencia y distribución de cargas
DewesoftX: software de adquisición y análisis de datos para procesamiento, registro y visualización
Dewesoft Historian: base de datos para monitorización a largo plazo basada en InfluxDB
Dewesoft Artemis OMA: software para análisis dinámico estructural, que permite determinar frecuencias naturales, modos de vibración y amortiguamiento a partir de la respuesta del sistema
Configuración del sistema de medición
Los sensores de temperatura PT100 se conectan al IOLITEi-1xSTG, un sistema de acondicionamiento de señal multipropósito basado en EtherCAT. Este dispositivo permite adquirir señales de voltaje y corriente, así como de sensores en configuración de puente completo, medio y cuarto, con excitación ajustable.
Los amplificadores IOLITEi-1xSTG también se utilizan para conectar los sensores de galgas extensométricas de puente completo SiWIM ST-504.
Para medir aceleraciones, el sistema emplea sensores MEMS triaxiales capacitivos de baja densidad de ruido, integrados en el dispositivo EtherCAT IOLITEiw-3xMEMS-ACC.
Un microprocesador interno en los dispositivos IOLITE transmite las muestras, que se envían al software DewesoftX en Windows o a cualquier controlador con EtherCAT master, en este caso, al sistema SiWIM.
El sensor DMM genera una señal MODBUS, que se conecta directamente a DewesoftX mediante el plugin Dewesoft-Modbus-Client.
Los datos procesados por DewesoftX y SiWIM se almacenan en la base de datos Dewesoft Historian. Posteriormente, un cliente de monitorización como Grafana permite visualizar los datos mediante paneles:
Temperatura
Cargas de tráfico
Aceleraciones
Desplazamientos verticales
Este software es web y multiplataforma, accesible desde cualquier sistema.
Los datos brutos de aceleración se envían mediante FTP a Dewesoft Artemis para análisis modal operacional en tiempo real y detección de daños.
El sistema se alimenta mediante dos baterías LiFe de 300 Ah y cuatro paneles solares de 150 W.
Posición de los sensores
En estructuras grandes como puentes, la selección, ubicación e instalación de sensores presentan varios retos:
La selección depende del diseño y estado del puente
La instalación suele realizarse bajo el tablero o integrada en elementos estructurales
El cableado es complejo debido a distancias y alturas
Las condiciones ambientales son exigentes
La empresa italiana ESSEBI, especializada en diagnóstico estructural, participó en el proyecto asesorando sobre la selección de sensores y la configuración de los puntos de medición. Su enfoque se centró en la integración de sistemas SHM y WIM.
Además, ESSEBI está desarrollando algoritmos de correlación entre ambos tipos de medición. Utilizando herramientas como Simcenter Test Lab y Artemis, realizó varios análisis modales independientes, identificando variaciones en bajas frecuencias relacionadas con la temperatura, un factor clave para el seguimiento del estado estructural a lo largo del tiempo.
En total, Cestel ha instalado los siguientes sensores:
Sensores SiWIM ST-504
Un deflection multi-meter (DMM)
14 acelerómetros IOLITEiw-3xMEMS-ACC
5 dispositivos IOLITEi-1xSTG, tres para sensores ST-504 y dos para sensores de temperatura
Los dispositivos IOLITE están conectados en cadena mediante un cable Ethernet estándar. El protocolo EtherCAT permite distribuir fácilmente los dispositivos a lo largo de grandes distancias. Pueden separarse hasta 50 m entre nodos utilizando un solo cable para señal, alimentación y sincronización.
La comunicación EtherCAT garantiza una sincronización de 1 µs entre las muestras de los distintos dispositivos de la cadena, independientemente de la distancia entre ellos.
La instalación de sensores y el tendido de cables fue realizada por el experimentado equipo de CESTEL. Para acceder a las zonas más remotas se utilizó una plataforma elevadora.
Monitorización y mediciones
Los resultados de la monitorización, incluidos cargas, aceleraciones, deflexiones y temperaturas, se presentan a través de la interfaz web de Dewesoft Grafana.
El 9 de marzo de 2023, un camión de 13 ejes con más de 200 toneladas cruzó el puente alrededor de las 20:02. Provocó una deflexión del puente de aproximadamente 3,6 mm.
El sistema realiza automáticamente análisis modal operacional (OMA). Los datos son accesibles de forma remota a través de interfaces web desarrolladas para este propósito. Se muestran información sobre formas modales, frecuencias naturales, coeficientes de amortiguamiento y desviaciones respecto a valores de referencia.
Conclusión
CESTEL ha iniciado un innovador proyecto de investigación para identificar dinámicamente el estado del puente mediante la correlación entre su respuesta estructural y las cargas del tráfico. Para ello, se instalaron diversos sensores, incluidos sistemas SiWIM, acelerómetros, galgas extensométricas y sensores de temperatura.
La instalación fue sencilla gracias a la conexión en cadena mediante un solo cable. El sistema almacena los datos en Dewesoft Historian y los pone a disposición a través de la interfaz web Dewesoft Grafana. Además, realiza análisis modal operacional en línea para facilitar la interpretación.
Para CESTEL, este proyecto representa el desarrollo y validación de sensores y software avanzados. En su fase final, ofrecerá una solución única para la monitorización estructural en tiempo real de puentes, correlacionada con las cargas reales del tráfico. Las soluciones de Dewesoft, tanto en hardware DAQ como en software, permitieron implementar rápidamente un sistema funcional y acelerar la investigación.