INSTRUMENTACIÓN ESTRUCTURAL EN PUENTES

Por: Víctor Hugo Restrepo. MIC, MBA. Gerente Técnico – Geoandina i SAS

Introducción

Los puentes que están en construcción y operando en todo el mundo, y recientemente en Colombia, incorporan cada vez más el estado del arte de la ingeniería: se conoce con mayor precisión el comportamiento de los materiales, se implementan complejas técnicas de análisis y diseño computacional y se realizan procesos constructivos que con frecuencia someten las estructuras a esfuerzos y deformaciones mayores a los que puedan tener en su vida útil.
El conocimiento y las técnicas en ingeniería de puentes han avanzado a la par con el desarrollo de tecnologías que brindan información sobre el comportamiento de las estructuras en sus diferentes etapas. Allí es protagonista la instrumentación de puentes como herramienta de mitigación de riesgos y seguridad, que permite verificar de manera constante principalmente el comportamiento tenso- deformacional de diferentes elementos, de tal manera que durante la construcción sea posible validar las premisas de diseño, identificar posibles desviaciones, decidir y actuar para evitar eventualidades que pueden acarrear consecuencias trágicas. De manera similar, el seguimiento del comportamiento histórico, estático y dinámico permite evaluar durante operación su estabilidad y proyectar la estructura a un nivel de servicio incluso más prolongado al inicialmente proyectado.
En este artículo vamos a resaltar la importancia de la instrumentación estructural en puentes, los conceptos generales, y a mencionar los principales instrumentos y sistemas que se suelen instalar con el fin de monitorear parámetros de ingeniería con precisión y en tiempo real.

Viaducto sobre el Rio Magdalena
Foto 1. Viaducto sobre el Rio Magdalena Puerto Berrío – Colombia.
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Importancia de la instrumentación estructural

Los principales objetivos que se buscan en un proyecto de instrumentación estructural para un puente son:

  • Validar premisas de diseño con el comportamiento de la estructura.
  • Garantizar la integridad estructural y resistente del puente durante la fase de construcción.
  • Velar porque las acciones ejercidas sobre los elementos estructurales estén dentro de los límites previstos de su utilización.
  • Dejar la estructura definitiva en tal estado tensional que su desempeño estructural durante la fase de operación sea adecuado y no se vea afectado su desarrollo funcional.

Como se indica en la Figura 1, la mayoría de los proyectos de instrumentación de puentes ha buscado confirmar las premisas de diseño de mayor relevancia durante construcción, pero también en puentes existentes a los que se les quiere evaluar la condición actual y para poder diseñar un plan de mantenimiento y/o reparación.

Figura 1. Propósitos para monitorear puentes.
INAUDI, DANIELE (2018)

Monitoreo de la salud estructural en puente

En Colombia, el monitoreo de estructuras (Structural Health Monitoring, SHM) se ha llevado a cabo mediante inspecciones presenciales periódicas, a través de las cuales se hace un levantamiento de información de su estado para valorar su funcionalidad.  En diseños recientes de puentes para proyectos carreteros se ha especificado el uso de instrumentos para medir diversos parámetros (deformación unitaria, desplazamientos, inclinación, historia de aceleración, fuerza de tensionamiento, entre otros) a fin de lograr la automatización de datos y el monitoreo de información en sistemas computarizados que permitan alertar con tiempo y/o visualizar la información histórica al instante.

Instalacion Clinometro
Foto 2. Instalación Clinómetro Viaducto Rio Magdalena Puerto Berrío – Colombia.
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En la Figura 2 se indica una muestra de la localización típica para la instrumentación de un puente atirantado.

Ejemplo de ubicación de instrumentación en puente atirantado.
Figura 2. Ejemplo de ubicación de instrumentación en puente atirantado
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Instrumentos de uso más frecuente

A manera de resumen, se puede llevar a cabo el con- trol de diferentes variables de ingeniería (Tabla 1) para las cuales existen diferentes instrumentos (con tecnología de hilo vibrátil, MEMS o fibra óptica, entre otras) con los que es posible efectuar mediciones automatizadas de parámetros de ingeniería para posterior análisis.

Variables de control en puentes e instrumentos de medida
Tabla 1. Variables de control en puentes e instrumentos de medida.
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Figura 4. Sensores típicos para instrumentación en puentes.
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Para facilitar la identificación gráfica de los distintos instrumentos, en la siguiente figura se relaciona un ejemplo de los mencionados en la Figura 4. Una vez instalados los sensores, la información debe ser trasmitida, por cable o inalámbrica, a un punto de centralización que usualmente consta de cajas con dataloggers, multiplexores y accesorios de soporte para protección eléctrica de la información. Desde estas cajas es necesario conectar a una unidad de red o sistema de trasmisión de información inalámbrica para ser almacenada en un computador/ servidor físico o en una plataforma en la nube con posibilidad de acceso desde dispositivos móviles para la consulta por usuarios autorizados. Lo anterior se describe gráficamente en la Figura 5.

 Descripción general del sistema de adquisición, almacenamiento y visualización.
Figura 5. Descripción general del sistema de adquisición, almacenamiento y visualización.
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De igual manera, muchos proyectos solicitan el diseño de una plataforma o interfaz hombre-máquina o SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) que sea de fácil recorrido y visualización de la información para posterior análisis.

Estas aplicaciones hacen posible programar niveles de alarma tipo semáforo (verde = comportamiento esperado, amarillo = comportamiento en observación, rojo = comportamiento anómalo para toma inmediata de decisión), de tal manera que se activen automáticamente alarmas que faciliten las acciones de los encargados del proyecto.

Como se detalló a lo largo del documento, las ventajas de diseñar e implementar un sistema de instrumentación estática y dinámica para las etapas de construcción y/u operación de puentes, permite profundizar en el conocimiento del comportamiento en diferentes puntos de la estructura ante la aplicación de cargas externas para toma de decisiones. Un puente instrumentado facilita la validación de premisas de diseño, garantiza la integridad estructural y resistente del puente durante la fase de construcción y permite dejar la estructura definitiva en un estado tensional tal que su desempeño estructural durante la fase de operación sea el adecuado, que su desarrollo funcional no se vea afectado y, en muchos casos, permite extender la vida útil del puente bajo análisis (Figura 6).

evolución de fuerza de tensionamiento de un tirante durante construcción y operación.
Figura 6. Ejemplo de evolución de fuerza de tensionamiento de un tirante durante
construcción y operación.
HTTP://SMARTSENSYS.COM/BRIDGE-MONITORING

Ante los múltiples beneficios para la mitigación de riesgos de construcción y operación, las aplicaciones de este tipo deben considerarse como una inversión en seguridad y conocimiento en detalle del comportamiento temporal de la estructura para beneficio de las entidades públicas, privadas y, en últimas, de los usuarios a los que se quiere servir.

Víctor Hugo Restrepo Botero, IC, MIC, MBA Gerente Técnico, Geoandina i SAS