En los últimos diez años se han desarrollado estudios experimentales con el propósito de establecer una relación entre el comportamiento dinámico de un puente y su condición estructural. A la fecha no se ha logrado este objetivo, sin embargo, existen trabajos que mediante análisis modal, análisis de las funciones de respuesta en frecuencia, análisis de sensibilidad y análisis paramétrico, establecen, para algunos casos, una correlación entre un nivel de daño y los cambios en la respuesta dinámica de la estructura.

Las técnicas para el análisis modal -primero de los mencionados arriba- se generaron inicialmente con el fin de realizar mediciones en sistemas mecánicos. Sin embargo, recientemente, se han desarrollado técnicas aplicables en el campo de la ingeniería civil en la medicion de los parámetros modales de puentes, presas y edificios. Esta nueva aplicación requiere de algunas consideraciones especiales tales como utilizar fuerzas de excitación proporcionales al tamaño de las construcciones y realizar las pruebas en campo, fuera de un laboratorio que permita llevar a cabo pruebas en condiciones totalmente controladas.

Desde el punto de vista experimental, existen tres aspectos importantes que se deben considerar para el análisis modal en puentes:

• Los métodos de excitación de la estructura.

   

• Los transductores para medir la vibración.

   

• Los procedimientos de prueba.

A continuación, analizaremos algunos puntos relevantes de cada uno de estos aspectos.

Metodos de excitación.

Para los métodos de excitación, se tienen cuatro opciones:

• La excitación ambiental (viento o tráfico).

   

• Las técnicas de desplazamiento y liberación de cargas.

   

• El empleo de vibradores.

   

• La técnica de impacto.

  En general, la excitación ambiental se recomienda en puentes mayores de 70 metros, mientras que los vibradores se sugieren para puentes menores de 100 metros; las técnicas de impacto y las de desplazamiento son más apropiadas en puentes menores de 30 metros.

  Los vibradores y la técnica de impacto pueden ser empleados en cualquier tipo y tamaño de puente; sin embargo, su tamaño, potencia o magnitud de fuerza aplicada debe ser proporcional al tamaño del puente. Estas dos últimas opciones resultan ser las más costosas.

  De los cuatro métodos de excitación mencionados, el ambiental es el más atractivo, ya que no es costoso y se puede llevar a cabo con el puente en operación. No obstante, este método tiene el inconveniente que la función de excitación no se puede conocer, dificultando la interpretación de los resultados. Por otra parte, cuando la excitación es por tráfico, el efecto del peso y las características dinámicas de los vehículos influyen en las mediciones y, si el puente es relativamente corto, esto altera significativamente los resultados.

  
  Transductores.

  Un transductor es un dispositivo o sistema que transforma alguna variable física en una señal eléctrica (voltaje o corriente). En esta aplicación, se emplean para convertir medidas de desplazamiento, velocidad o aceleración en señales de voltaje, que al digitalizarse se pueden almacenar y analizar de forma sistemática y sencilla.

  En cuanto a los transductores, se pueden utilizar acelerómetros, galgas extensométricas (strain gauges), geófonos, sismómetros y transductores de desplazamiento. De todos estos, los acelerómetros son los que más se han empleado, ya que trabajan en un amplio rango de frecuencias y son fáciles de instalar.

  Las galgas extensométricas, que son adecuadas para análisis estrucutral, no son recomendadas para análisis modal. En este segundo caso, la deformación no es un parámetro conveniente de medir, ya que su interpretación es compleja por representar sólo condiciones locales del lugar de instalación de los instrumentos; en cambio, las lecturas de velocidad, desplazamiento o aceleración en el tiempo, sí son representativas del comportamiento dinámico total de una estructura. Por otra parte, las mediciones con galgas extensométricas no son independientes de los valores de la masa y de rigidez del punto instrumentado. Por último, este tipo de transductores son difíciles de instalar en campo.

  Los transductores de desplazamiento son adecuados para esta aplicación, pero requieren de una plataforma inercial, dificultando su utilización en muchos casos. Los transductores que trabajan con un rayo laser son una buena alternativa, sin embargo, su costo es alto.

  
  Métodos de prueba.

  Un método de prueba adecuado requiere el cumplimiento de las siguientes condiciones:

  Linealidad. El puente debe ser excitado a diferentes niveles de amplitud para verificar su linealidad. Esto es de particular interés debido a la existencia de estudios que reportan, por ejemplo, diferentes coeficientes de amortiguamiento dependiendo de la amplitud de la excitación.

  Repetibilidad. Ante la repetición de una excitación determinada, es necesario verificar que la respuesta sea igual y, por lo tanto, la prueba sea repetible.

  Reciprocidad. Es necesario verificar que la función de transferencia entre dos puntos sea igual si se calcula del punto A al punto B y viceversa.

  Cambio de condiciones ambientales. Si los cambios en las condiciones ambientales son significativos, es posible que existan cambios en los parámetros modales, por lo que es necesario evaluar el efecto de dichos cambios y monitorear las condiciones ambientales.

  Número de puntos a instrumentar. Para determinar la cantidad de puntos que se requiere instrumentar se recomienda utilizar el siguiente criterio:

   

N > 2n - 1

donde N es el número de puntos y n es el orden del modo más alto que se desea medir. Así, por ejemplo, para medir hasta el modo de orden sexto en la dirección longitudinal y hasta el modo de orden segundo en la dirección transversal se sugiere una malla de instrumentación de 13 x 3.

En general, se puede concluir que para puentes grandes es mejor emplear una excitación ambiental, mientras que en un puente corto es mas recomendable utilizar los métodos de impacto. Para puentes medianos los vibradores resultan más adecuados. En cuanto a los transductores, los acelerómetros han reportado mejores resultados. Con respecto al procedimiento de prueba, se debe tomar en cuenta el cumplimiento de las condiciones aquí mencionadas, aunque en el caso de excitación ambiental no siempre es posible verificarlas todas.

Francisco Carrión Viramontes, Jefe de la División de Concertación Industrial del IMT