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1. Introducción La civiónica es una disciplina emergente que combina la ingeniería civil con la ingeniería electrónica, su principal campo de acción es la aplicación de la electrónica al monitoreo estructural de obras civiles. El monitoreo estructural tiene como principal objetivo verificar el comportamiento de una estructura de manera precisa y eficiente, ya sea in situ o en forma remota, para evaluar su desempeño bajo distintas condiciones de servicio, para identificar daño o deterioro, y determinar así, su condición estructural. El proceso de monitoreo consiste en la medición de parámetros estructurales representativos de manera periódica o continua. Esta información se usa para diseñar y planear actividades de mantenimiento, incrementar la seguridad, verificar hipótesis de diseño y reducir incertidumbre concerniente a los sistemas estructurales. El desarrollo de estructuras inteligentes y la conceptualización del área de monitoreo estructural en el campo de la ingeniería civil ha comenzado a ser más atractiva en las últimas décadas y está recibiendo una creciente atención en el mundo, tanto en el campo de la investigación académica como aplicada. Las ideas básicas en este campo han derivado de aplicaciones realizadas en el campo de la ingeniería aeronáutica, la ingeniería aeroespacial y de la industria automotriz, no obstante, la migración de estas ideas a la industria de la construcción ha requerido y, aún requiere, del desarrollo de tecnologías y aplicaciones específicas para el diseño de sistemas de monitoreo, adquisición de datos y análisis e interpretación de las mediciones, para la toma de decisiones [1]. Desde hace algunos años la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) y el Instituto Mexicano del Transporte (IMT) han orientado esfuerzos para implementar nuevas estrategias en la gestión, administración y evaluación del inventario nacional de puentes. Algunas de las estrategias han ido encaminadas a la actualización y modernización del SIPUMEX y otras a la evaluación de la condición estructural de los puentes más importantes del país a través de la creación del centro de monitoreo de puentes y estructuras inteligentes (CMPEI), cuyos objetivos son, por una parte, garantizar la seguridad de los usuarios y de los puentes monitoreados, y por otra optimizar el uso de los recursos financieros destinados a la conservación de la infraestructura, a través de la detección de daño oportuno, la aplicación de mantenimiento preventivo y la extensión de la vida útil de la estructura. 2. Monitoreo Estructural Dependiendo del tipo de estructura, su condición y los requerimientos particulares de instrumentación, el monitoreo estructural puede ser desarrollado a corto plazo (unos cuantos días), mediano plazo (unas cuantas semanas), largo plazo (meses o años) o incluso, durante toda la vida útil de la estructura. La herramienta de diagnóstico físico de los sistemas de monitoreo estructural es la integración completa de diversos dispositivos de detección y sistemas auxiliares, entre los que se encuentran: * Sistema de Sensores * Sistema de Adquisición de Datos * Sistema de Procesamiento de Datos * Sistema de Comunicación * Sistemas de Detección de Daño y Modelado Como se mencionó anteriormente, el monitoreo consiste en la medición de parámetros estructurales representativos de manera periódica o continua, los cuales dependen de múltiples factores, como el tipo y el propósito de la estructura, las cargas esperadas, los materiales de construcción, las condiciones ambientales y el fenómeno de degradación esperado. Por lo general, estos pueden ser mecánicos, físicos o químicos. Los parámetros más frecuentes en monitoreo estructural pueden verse en la tabla 1.
Tabla 1. Parámetros frecuentemente monitoreados en los sistemas estructurales
El monitoreo puede ser desarrollado a nivel local o a nivel global. El monitoreo a nivel local proporciona información relacionada con el comportamiento local del material o de un elemento estructural en específico, brindando información reducida que no incluye, necesariamente, el comportamiento global del sistema estructural; mientras que el monitoreo global del sistema provee información que describe su comportamiento integral, pero que puede ser capaz de identificar cambios en el comportamiento estructural que, a su vez, se relacionen con el comportamiento local de elementos críticos. Una manera simple de visualizar el proceso de monitoreo estructural es adoptando como analogía el cuerpo humano y la forma en la que se atiende ante algún malestar. Cuando el cuerpo humano presenta alguna condición insana, esta es detectada inmediatamente por el sistema nervioso. Basado en la información que el cerebro recibe (por ejemplo, dolor en algunas partes del cuerpo), el paciente visita al especialista médico para evitar el dolor y prevenir el desarrollo de esa condición. El especialista examina, establece un diagnóstico y propone una cura para el malestar. Este suceso, puede ser llevado al plano de los sistemas estructurales. La principal meta del monitoreo estructural es detectar un comportamiento estructural inusual que indique un mal funcionamiento de la estructura. La detección de una condición indeseable en la estructura lleva a realizar una inspección detallada en la misma (generalmente a través de pruebas no destructivas), para generar un diagnóstico y finalmente diseñar esquemas de reparación o mantenimiento de la misma. En términos generales, podría decirse que el proceso descrito incluye como actividades la selección de la estrategia de monitoreo, la instalación del sistema de monitoreo, el mantenimiento del sistema, la administración de los datos adquiridos y el planteamiento de la logística en caso de interrupciones en el sistema. En la tabla 2, pueden observarse el conjunto de subactividades que podrían conformar el proceso de monitoreo estructural. Para iniciar un proyecto de monitoreo estructural, es importante definir los objetivos de éste y en base a ello, establecer los parámetros a monitorear. Estos parámetros deben seleccionarse de forma que reflejen el comportamiento de la estructura y a su vez, se orienten en el cumplimiento de los objetivos del proyecto.
Tabla 2. Actividades básicas del proceso de monitoreo estructural [1].
La selección del sistema de monitoreo depende, naturalmente, del objetivo del proyecto, los parámetros que se desean medir, la precisión que se requiere, la frecuencia de lectura, la compatibilidad con el ambiente (sensibilidad a la interferencia electromagnética, variaciones de la temperatura, humedad, etc.) los procedimientos de instalación de los diversos componentes del sistema, las posibilidades de automatización, la conectividad remota, las formas de administración de los datos y los niveles en los que la estructura será monitoreada (local o global). Con el fin de extraer la mayor cantidad de información del sistema planteado, de acuerdo a las condiciones mencionadas, es necesario ubicar a los sensores en posiciones que sean representativas del comportamiento estructural. A su vez, la configuración de los canales de sensores depende de la geometría y el tipo de estructura a monitorear. La instalación del sistema es una fase del proceso particularmente delicada, la cual debe ser planeada a detalle, considerando las condiciones del sitio donde se encuentra la estructura a instrumentar. Los componentes del sistema pueden ser embebidos o instalados sobre la superficie de la estructura adhiriendo los elementos de sujeción sobre ésta. Una vez instalado, se recomienda proteger el sistema, sobre todo si el monitoreo se realizará a lo largo de la construcción de la estructura. Una vez instalado y puesto en marcha el sistema, los datos recabados deben ser administrados de manera eficiente, ya que la cantidad de datos puede ser importante. En general, existen dos niveles de administración; la básica y la avanzada. La primera consiste en la ejecución de las mediciones (lecturas de los sensores), el almacenamiento de los datos (local o remoto), y el acceso a estos. Los datos monitoreados pueden ser adquiridos manualmente, de manera semi-automático o automática, en el sitio o de manera remota, periódica o continua, y estática o dinámica. Por otro lado, la administración avanzada consiste en la interpretación, visualización, análisis y uso de los datos (por ejemplo, generación de alarmas). Es de esperarse que la elección del tipo de administración de los datos esté en función de los objetivos del esquema planteado y de los alcances mismos del proyecto. 3. Situación actual en México En México, la conservación de la infraestructura se ha convertido en una actividad estratégica, en el cual la aplicación eficiente de los recursos financieros es un punto primordial, por lo que el Instituto Mexicano del Transporte propuso a la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) la creación del Centro de Monitoreo de Puentes y Estructuras Inteligentes (CMPEI), el cual está orientado a la realización de monitoreo estructural de los puentes y estructuras más importantes dentro de la infraestructura del transporte de México [5]. A su vez, el IMT, a través de su Centro de Monitoreo de Puentes y Estructuras Inteligentes (CMPEI), se ha dado a la tarea de realizar proyectos de monitoreo estructural con el fin de estudiar el comportamiento de diversas estructuras, algunos de estos casos se presentan a continuación. 3.1 Pavimento de concreto estructuralmente reforzado continuo (PCERC) El concepto del pavimento de concreto estructuralmente reforzado continuo (PCERC), es una alternativa a los pavimentos tradicionales de concreto que se han implementado en las últimas décadas en México. En este caso, con el PCERC se propone un pavimento de menor espesor con dos mallas de acero de refuerzo que en principio, puede ser más eficiente desde el punto de vista estructural y más económico para carreteras de gran afluencia. Para evaluar el desempeño del PCERC, se propuso un tramo de prueba con instrumentación embebida en el concreto para el monitoreo a largo plazo. El tramo de 300 m se construyó considerando una sección con base hidráulica y otra estabilizada, para evaluar el comportamiento de ambas bases. Para evaluar periódicamente el tramo carretero, se implementó un sistema de monitoreo basado en sensores de fibra óptica que incluye sensores de deformación, temperatura y aceleración con el objetivo de medir la deformación unitaria en el concreto y en el acero por efecto del paso de vehículos, el gradiente térmico por los cambios ambientales de temperatura y las respuestas dinámicas de aceleración del sistema para analizar las frecuencias naturales del sistema estructural en el tiempo y evaluar la pérdida de rigidez. La configuración de la instrumentación incluyó 2 acelerómetros colocados sobre la rodera del lado derecho del conductor, uno para la base hidráulica y otro para la base estabilizada, 5 sensores de temperatura colocados en la base estabilizada espaciados cada 3 cm, dos arreglos de seis sensores de deformación distribuidos de la siguiente forma: dos sensores en la dirección longitudinal sobre la rodera, uno para medir las deformaciones del acero y otro para las deformaciones del concreto, dos sensores transversales al centro del PCERC de igual forma uno para medir deformaciones en el concreto y otro para medir deformaciones en el acero y, finalmente, dos sensores longitudinales en la frontera del carril de baja velocidad con el carril de media velocidad distribuidos de igual manera uno para acero y otro para concreto. En la Figura 4 se puede observar la colocación de los sensores [2].
3.2 Acueducto de Querétaro Ante la necesidad de ampliar la capacidad de tránsito en el Boulevard Bernardo Quintana, la Secretaría de Desarrollo Urbano y Obras Públicas del Estado de Querétaro inició en agosto de este año 2012, la obra (figura 2) para ampliar la capacidad de 2 a 3 carriles en los túneles centrales de Bernardo Quintana, a la altura del cruce con Av. Los Arcos. Esta obra, por su naturaleza misma y fundamentada en estudios previos, propuso una serie de acciones para asegurar la cimentación de las pilas de los arcos del Acueducto de Querétaro para no comprometer su integridad durante dichos trabajos de ampliación [3]. El esquema propuesto tuvo como objetivos medir el nivel de vibraciones en los puntos críticos de la estructura de los Arcos, advertir, mediante un sistema de alarmas, sobre la ocurrencia de condiciones de riesgo por niveles excesivos de vibraciones y, de ahí, poder considerar posibles modificaciones en los procesos o programas constructivos, y por último, evaluar en mediano plazo, mediante indicadores de condición estructural, la evolución de la estructura durante y después de la obra de ampliación y remodelación vial.
El esquema de instrumentación en este proyecto fue planeado en dos etapas, en la primera, se colocaron 12 acelerómetros piezoeléctricos y capacitivos de alta sensibilidad, esto para medir vibraciones en los puntos críticos de la estructura. En la segunda etapa, se instrumentó el sistema con una plataforma basada en sensores de fibra óptica tipo FBG, la cual incluyó 16 acelerómetros, 15 extensómetros y 8 inclinómetros. Esta plataforma permitió identificar variaciones o tendencias de parámetros asociados con deterioro o daño evolutivo por efecto de la obra de ampliación.
3.3 Puente Río Papaloapan El Puente Río Papaloapan (figura 4) se localiza en el kilómetro 85 + 980 de la autopista la Tinaja-Acayucan, en el estado de Veracruz, fue construido en el año de 1994 y se puso en servicio en el año de 1995, es del tipo atirantado con un claro de 203 m y una longitud total de 407 m (figura 1). El puente tiene 112 cables distribuidos en 8 semi-arpas con 14 cables cada uno. [4]
Fig. 4 Planos de instrumentación Puente Río Papaloapan
El esquema diseñado para el monitoreo estructural se muestra en la figura 5. El sistema está basado en sensores de fibra óptica tipo FBG, e incluye extensómetros, los cuales están colocados a lo largo del tablero para el monitoreo de sus deformaciones y la determinación de los modos de vibrar de este componente; sensores de temperatura para estudiar el efecto de esta variable en los componentes del tablero, acelerómetros en tirantes y torres, con el fin de monitorear las vibraciones en estos elementos e inferir modos de vibrar de la estructura, inclinómetros para la medición de ángulos de inclinación en torres, cámaras de video, estaciones meteorológica y sismológica. Todo este sistema energizado a través de celdas fotovoltaicas.
3.4 Puente Mezcala Este puente cuenta con una longitud total de 911 m, un claro máximo de 311 m, de tipo atirantado, cuenta con 12 semi-arpas con 14 tirantes cada una de éstas, se encuentra ubicado en la autopista del sol en el km 221 en el estado de Guerrero. Por su importancia en esta autopista, y debido a que ha presentado asentamientos en algunos apoyos y repercusiones en las juntas, lo convierte en uno de los puentes especiales de interés para el CMPEI. El esquema para el monitoreo estructural (Figura 6) está basado, al igual que el sistema del puente Río Papaloapan, en sensores de fibra óptica tipo FBG, e incluye extensómetros, sensores de temperatura, acelerómetros en tirantes y torres, inclinómetros, cámaras de video y estaciones meteorológica y sismológica, todo el sistema se encuentra de igual forma energizado a través de celdas fotovoltaicas.
Conclusiones Es evidente que en un país como el nuestro, donde poco más del 60% de los puentes carreteros de su Red Federal cuentan con más de 30 años de servicio, el monitoreo estructural de estos y otros sistemas cobra suma importancia. La información recabada y analizada en este proceso, ofrece múltiples ventajas, entre las que se encuentran la planeación de programas de mantenimiento, la optimización de los recursos económicos y humanos en estas actividades y la seguridad de los usuarios de la infraestructura, entre otros. Además, debido a que actualmente, la complejidad de los sistemas estructurales y las exigencias para su construcción aumentan, no sólo en logística sino en la reducción de los tiempos de respuesta y por ende, la celeridad en estos procesos, esta disciplina apunta como una fuerte herramienta para verificar las distintas condiciones de los sistemas estructurales en su proceso de construcción. Resulta importante, pues, no sólo dar continuidad a los proyectos existentes en ésta área, para realizar estudios de prognosis y proponer acciones de mantenimiento a mediano y largo plazo en estos sistemas, sino impulsar el desarrollo de proyectos de esta naturaleza y puedan derivar en un mejoramiento real de la infraestructura de México. Bibliografía [1] Fibre Optic Methods for Structural Health Monitoring, Branko Glisic and Daniel Inaudi, Ed. John Wiley & Sons, 2007. [2] Long term monitoring of a continuous reinforced pavement highway, Quintana Juan, Carrión Francisco, Garnica Paul, Gutierrez Jorge, Paez Generoso, Crespo Saúl, Gómez Antonio. Workshop on Civil Sructural Health Monitoring (CSHM-4) [3] Estrategia de Instrumentación para el Monitoreo de los Arcos del Acueducto de Querétaro, Reporte preparatorio, Carrión Viramontes Francisco, Instituto Mexicano del Transporte [4] Verification of the Ultrasonic Qualification for Structural Integrity of partially Embedded, Steel Elements. Advances Materials Research. 65(2009). López J. A., Carrión F. J., Quintana J. A., Samayoa D., Lomelí M. G., Orozco P. R. 2009 [5] Design and Strategy for the Monitoring Center for Bridges and Intelligent Structures of Mexico, F.J Carrión Viramontes, J.A Quintana Rodríguez, J. Alfredo López López & J.L Moreno Jiménez, XXIVth World Road Congress, Sept. 2011. CARRIÓN Francisco |
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