Monitoreo de salud estructural para estructuras de puentes
[vc_row type=”in_container” full_screen_row_position=”middle” column_margin=”default” scene_position=”center” text_color=”dark” text_align=”left” overlay_strength=”0.3″ shape_divider_position=”bottom” bg_image_animation=”none”][vc_column column_padding=”no-extra-padding” column_padding_position=”all” background_color_opacity=”1″ background_hover_color_opacity=”1″ column_link_target=”_self” column_shadow=”none” column_border_radius=”none” width=”1/1″ tablet_width_inherit=”default” tablet_text_alignment=”default” phone_text_alignment=”default” overlay_strength=”0.3″ column_border_width=”none” column_border_style=”solid” bg_image_animation=”none”][vc_column_text]En este artículo, revisaremos brevemente los fundamentos del monitoreo de salud estructural para estructuras de puentes . Los puentes y la infraestructura de transporte están sujetos a condiciones ambientales extremas de carga, como nieve, lluvia, tormentas y calor extremo. Esto podría acelerar el proceso de deterioro de los materiales de construcción, como el hormigón y el acero. Además, las cargas físicas (provocadas por el aumento del tráfico, la sobrecarga y el impacto de los camiones en movimiento) pueden acelerar el proceso de envejecimiento y deterioro, lo que podría afectar negativamente la capacidad de carga de estas estructuras ( Dong y col. 2010 ).
Declaración del problema
El colapso del puente Morandi en Italia es uno de los últimos desastres ocurridos en 2018, que mataron a 43 personas e hirieron a decenas de otras [ Wikipedia ]. Además de las dramáticas consecuencias del colapso del puente, la interrupción en el sistema de transporte de cada nación, especialmente en los corredores principales, tiene un impacto tremendo en el crecimiento económico y la vida diaria de los ciudadanos.[/vc_column_text][vc_column_text]El Departamento de Transporte de Minnesota (Mn / DOT) informó que la falla del puente I-35W resultó en una pérdida económica de $ 17 millones en 2007 y $ 43 millones en 2008. Según este estudio, los costos de los usuarios de la carretera debido a los desvíos y la indisponibilidad del cruce del río se estimó en $ 4,000 por día [ Fuente ].[/vc_column_text][vc_column_text]Nuestra comprensión de cómo los puentes responden y reaccionan a las diferentes demandas operativas y ambientales podría permitirnos preservar tanto la seguridad como la capacidad de servicio de estas estructuras. Los avances recientes en el monitoreo de salud estructural (SHM) y la tecnología informática han impulsado el despliegue de sistemas de monitoreo de puentes inteligentes para el mantenimiento y la gestión proactivos.
Monitoreo de salud estructural para estructuras de puentes
El Monitoreo de Salud Estructural (SHM) para Estructuras de Puentes generalmente se refiere al proceso de diseño, desarrollo e implementación de una estrategia de detección o caracterización de daños para la evaluación en tiempo real de la condición estructural. Un sistema SHM típico incluye tres componentes principales:
Una red de sensores,
Un sistema de procesamiento de datos (incluida la adquisición, transmisión y almacenamiento de datos).
Y un sistema de evaluación de la salud para apoyar la toma de decisiones [ Housner et al. 1997 ].
[/vc_column_text][vc_column_text]El proceso de SHM generalmente implica el monitoreo de una estructura durante un cierto período de tiempo, ya sea a corto o largo plazo, utilizando una serie adecuada de sensores y dispositivos, extracción de características sensibles al daño dadas por las mediciones obtenidas de los sensores y análisis. de los datos para determinar el estado actual de la estructura [ Tan et al. 2009 ].
Las ventajas de SHM
Los sensores SHM pueden integrarse a la perfección con sistemas de análisis automatizados que brindan monitoreo en línea remoto continuo 24/7 de diferentes componentes en una estructura de puente. Los datos recopilados de la estructura se transmiten de nuevo a un sistema de adquisición y análisis en el sitio que realiza todos los análisis necesarios; Cuando se registra una respuesta anormal, se crearán mensajes de advertencia y se enviarán a las personas a cargo del mantenimiento y monitoreo del puente.
Los propietarios y operadores de puentes pueden recibir alertas sobre posibles defectos y anomalías a través de un análisis automatizado y un sistema de alarma secuencial. En una configuración SHM muy básica, las alertas sobre el tipo y la ubicación de los posibles defectos se emitirán y se comunicarán desde el puente a los propietarios / administradores del puente. En una configuración más avanzada, se puede extraer de los datos información como la clasificación de la condición, la ubicación del daño en tiempo real y los primeros signos de falla.
Una preocupación importante para la mayoría de los propietarios de puentes es la preocupación por las falsas alarmas. Sin embargo, los desarrollos recientes en procesamiento de señales y procesamiento de datos, sistemas de autocalibración y funciones de autoprueba eliminan o reducen las costosas falsas alarmas y las visitas innecesarias al sitio. En general, un sistema SHM bien diseñado tiene el potencial de:
Monitorear proactivamente el desempeño estructural bajo variaciones operativas y ambientales.
Extienda la vida restante del puente al reducir las fallas debido a la detección temprana
Optimice los presupuestos de inspección con datos de estado en tiempo real
Reducir los costos innecesarios de mantenimiento y ciclo de vida
Incrementar la confianza en la integridad estructural y la seguridad pública.
Evite cierres y tiempo de inactividad para inspecciones de rutina
Estado de la práctica en el seguimiento de la salud estructural
Con los desarrollos recientes en tecnología de sensores y comunicación inalámbrica, se han desarrollado varios sistemas de monitoreo de salud estructural. A continuación se describen tres soluciones principales disponibles para el monitoreo en tiempo real de estructuras de puentes.
Monitoreo basado en vibraciones
Las técnicas de monitoreo basadas en vibraciones estuvieron entre los primeros métodos propuestos para la evaluación del estado de los puentes. Estas técnicas se basan en el concepto de que cualquier cambio en las propiedades físicas de un puente, ya sea local o distribuido, será captado por la evolución en sus propiedades dinámicas. En ingeniería estructural, las propiedades dinámicas típicas se refieren a parámetros modales tales como frecuencias naturales, formas modales, etc. Dado que los parámetros modales están altamente correlacionados con las propiedades dinámicas de la estructura, la ubicación y la severidad del defecto estructural pueden ser determinadas por cambios en el modo Para estudiar las propiedades dinámicas del puente, la respuesta a la vibración de la estructura debe medirse bajo excitación controlada o ambiental. La mayoría de los métodos de monitoreo basados en vibraciones utilizan principalmente datos obtenidos de acelerómetros para monitorear la respuesta del puente a nivel global. Los acelerómetros se utilizan comúnmente para medir aceleraciones verticales y / u horizontales de los componentes del puente en ubicaciones específicas. Dependiendo del diseño de la disposición de la instrumentación del sensor, la información obtenida de estos sensores se puede utilizar para la detección y localización de eventos anormales.
Monitoreo basado en deformaciones
Si bien los enfoques de monitoreo basados en vibraciones son adecuados para monitorear el comportamiento estructural del puente a nivel global, su eficiencia para monitorear localmente cambios leves en las propiedades dinámicas estructurales es cuestionable. Por lo tanto, una tendencia más reciente es usar métodos de monitoreo local para notar cambios insignificantes en las propiedades mecánicas de los componentes del puente.
Dado que los daños suelen ocurrir a nivel local, los métodos de monitoreo de deformaciones pueden utilizarse como un medio para monitorear localmente los elementos clave del puente en ubicaciones críticas. Los sensores de fibra óptica y las galgas extensométricas se encuentran entre los sensores más populares utilizados para el monitoreo de deformaciones. La colocación de una red de sensores de deformación puede ayudar a determinar los componentes del puente sometidos a una tensión o deformación excesivas debido a un evento anormal, como un puente sobre la carga.
Emisión acústica
La tecnología de emisión acústica (AE) también se utiliza para el examen en tiempo real de los componentes del puente sometidos a esfuerzos. Las ondas AE son ondas de tensión que se generan por la liberación rápida de energía de deformación debido a cambios microestructurales en un material y pueden viajar a través de la estructura. Estas ondas se generan a partir de fuentes localizadas dentro de un material y tienen la capacidad de localizar la iniciación de la fuente. Las condiciones de carga variables que existen en los componentes del puente, como el acero y el hormigón, pueden hacer que estos elementos emitan energía en forma de ondas elásticas debido a a varios mecanismos de daños relevantes para el material. Estas ondas se pueden capturar mediante sensores AE colocados en la superficie del componente del puente. El análisis de las señales recibidas de los sensores proporciona información sobre la fuente de emisión.
Los sensores remotos de emisión acústica escuchan continuamente una onda de sonido o emisión específica en el material; Un sistema AE se puede personalizar para enviar alertas y notificar al operador del puente cuando:
Una grieta se inicia o crece
Un alambre de suspensión o un cable se rompe
Ocurre un impacto accidental
Se produce una dislocación o deterioro
La corrosión activa se propaga
Desafíos prácticos
El monitoreo de salud estructural para estructuras de puentes tiene el potencial de recopilar una cantidad significativa de información sobre el estado de daños de varios componentes estructurales a nivel global y de elementos. Estos datos masivos pueden servir como fuente de conocimiento sobre el historial de desempeño de la estructura, algo valioso para los tomadores de decisiones.
Los sistemas modernos de SHM que están completamente integrados con modelos estadísticos parecen ser una solución prometedora que reducirá el tiempo de inactividad de la infraestructura civil, reducirá los costos de mantenimiento y mejorará la seguridad de los trabajadores al eliminar las actividades de alto riesgo (es decir, inspección visual de accesos verticales, trabajos en altura, etc.). exposición a radiación, trabajo en espacios confinados). Sin embargo, implementar una red confiable de sensores y comprender los datos recopilados sigue siendo un desafío.
En el frente del hardware, uno de los principales desafíos es diseñar una red de sensores estructurales eficiente que pueda recopilar información adecuada y confiable sobre el estado de los daños. En esta etapa, el ingeniero de instrumentación se enfrenta a tres preguntas principales, es decir, el tipo, la ubicación y la cantidad de sensores para instrumentar la estructura de interés. La propiedad, la seguridad y la gestión de los datos es otro desafío.
En el frente del análisis, será un desafío realizar una interpretación significativa de los datos en tiempo real e integrarlos en los protocolos de toma de decisiones. Si bien existe una amplia variedad de sensores SHM en el mercado, se ha prestado menos atención al desarrollo de algoritmos de apoyo a la toma de decisiones basados en datos. Una herramienta objetiva para la toma de decisiones profundiza en los macrodatos y ayuda a alertar a los propietarios de puentes sobre cualquier cambio apreciable en el estado actual de la estructura. El auge del big data y la computación en la nube ayudará a los ingenieros a tener una mejor visión de los datos en tiempo real y traducirlos de manera eficiente en resultados de toma de decisiones para los propietarios y gerentes de mantenimiento.[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row]
La tecnología de emisión acústica (AE) también se utiliza para el examen en tiempo real de los componentes del puente sometidos a esfuerzos. Las ondas AE son ondas de tensión que se generan por la liberación rápida de energía de deformación debido a cambios microestructurales en un material y pueden viajar a través de la estructura. Estas ondas se generan a partir de fuentes localizadas dentro de un material y tienen la capacidad de localizar la iniciación de la fuente. Las condiciones de carga variables que existen en los componentes del puente, como el acero y el hormigón, pueden hacer que estos elementos emitan energía en forma de ondas elásticas debido a a varios mecanismos de daños relevantes para el material. Estas ondas se pueden capturar mediante sensores AE colocados en la superficie del componente del puente. El análisis de las señales recibidas de los sensores proporciona información sobre la fuente de emisión.
Los sensores remotos de emisión acústica escuchan continuamente una onda de sonido o emisión específica en el material; Un sistema AE se puede personalizar para enviar alertas y notificar al operador del puente cuando: