Notas
 
Instituto Mexicano del Transporte
Publicación bimestral de divulgación externa

NOTAS núm. 165, MARZO-ABRIL 2017, artículo 1
Implementación del sistema de monitoreo del Puente Mezcala
QUINTANA Juan, CRESPO Saúl, HERNÁNDEZ Jorge, GASCA Héctor y MARTÍNEZ Álvaro

 

El Instituto Mexicano del Transporte (IMT), en conjunto con la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT), han desarrollado el Programa Integral de Seguridad de Puentes que, entre otros puntos, comprende el desarrollo de sistemas de gestión, instrumentación de puentes, implantación de sistemas de monitoreo remoto y la evaluación estructural periódica. Específicamente, el monitoreo remoto de puentes se considera fundamental para dar seguimiento y conocer la condición de los puentes más importantes del país para establecer estrategias de conservación más efectivas, eficientes y económicas. El IMT ha dado inicio a la instrumentación y monitoreo permanente del Puente Río Papaloapan a partir del 2013, el monitoreo periódico de los puentes Caracol, Buenavista, Raudal, Papaloapan, Nautla y Chiapas a partir de 2016 y la configuración, instrumentación y puesta en operación del sistema de monitoreo permanente del puente Mezcala a finales del año 2016. En esta nota se describe la configuración del sistema de monitoreo permanente y el comienzo del monitoreo remoto del Puente Mezcala.

 

Puente Mezcala

 

El Puente Mezcala tiene una longitud total de 890 m, en una superestructura de 6 claros, con un tablero formado de 2 trabes de acero longitudinales metálicas de sección I y losa de concreto reforzado, 4 de los claros son de tipo atirantado de semi-arpa, está formado por 5 pilones de concreto, con una longitud del claro central de 311 m y un ancho de 20 m, la altura de la pila principal es de 213 m y la distancia máxima del tablero al lecho del río es de 140 m (ver figura 1).

 

El puente se ubica en el municipio de Mártir de Cuilapan Guerrero, cruza el río Balsas y está situado en las coordenadas geográficas: 17°56'8.24"N, 99°22'13.05"O, que corresponde al kilómetro 221 de la Autopista del Sol (95D) el cual comunica a la ciudad de Cuernavaca Morelos, con  la cuidad de Acapulco Guerrero.

 

Este es uno de los 10 puentes atirantados de la red federal carretera, contribuye al desarrollo comercial  de la zona del pacífico, se encuentra ubicado en una zona sísmica tipo D, considerada como severa de acuerdo con los datos del INEGI (Marco Geoestadístico Nacional 2005) [1]. Además se ubica  en una región que presenta inestabilidad en las laderas. Todos estos factores soportan la necesidad del monitoreo permanente continuo y de largo plazo de la estructura, por lo cual se propuso un sistema de instrumentación basado en fibra óptica, el cual ha demostrado ser robusto, confiable, trazable, con alta sensibilidad y poco mantenimiento de los sensores y sistemas de adquisición de datos. El IMT ha implementado sistemas de monitoreo basados en fibra óptica en el Puente Río Papaloapan [2,3], en el Acueducto de Querétaro en obras de ampliación del boulevard Bernardo Quintana [4] y el tramo carretero de la autopista México Querétaro [5] con resultados satisfactorios en el desempeño de estos sistemas.   

 

 

Figura 1. Puente Mezcala

 

Sistema de adquisición de datos y monitoreo permanente del puente Mezcala.

 

El sistema de adquisición de datos y monitoreo permanente del Puente Mezcala tiene tres módulos principales para su funcionamiento; el primero, es el módulo de sensores y equipos de adquisición y pre procesamiento de datos, el segundo es el módulo de energización y el tercer módulo es el de comunicaciones remotas.

 

El Módulo de sensores equipos de adquisición y pre procesamiento de datos del puente Mezcala consta de 36 acelerómetros, 16 inclinómetros, 10 extensómetros de concreto, 48 extensómetros de acero, 11 sensores de temperatura, un medidor de desplazamiento, 2 cámaras de video, una estación climatológica, un interrogador, un multiplexor y una unidad de control. Cada uno de los sensores y equipos instalados persigue objetivos particulares para el monitoreo de la integridad estructural del puente Mezcala.

 

Los acelerómetros fueron seleccionados para medir las respuestas dinámicas de las pilas y de algunos de los tirantes. La información proporcionada por ellos permitirá conocer el desempeño estructural de las torres bajo condiciones de operación normal, evaluar la integridad estructural de las mismas posterior a sismos, ráfagas de viento o accidentes. Por otro lado acelerómetros instalados en algunos de los tirantes serán utilizados para determinar la tensión de los cables, conocer de manera indirecta los pesos asociados a los vehículos que transitan sobre el puente.

 

Los inclinómetros tienen la finalidad de dar seguimiento del nivel de inclinación de las pilas en el tiempo y determinar si existe una inclinación permanente posterior a un evento sísmico.

 

La función de los extensómetros de acero y de concreto es conocer la dinámica del puente y asociar las deformaciones con la carga de vehículos y aquellas asociadas con los cambios de temperatura durante el día o estación del año. La información proporcionada por estos sensores es fundamental para la calibración de modelos de elemento finito y para la implementación de técnicas de detección de daño.

 

Los sensores de temperatura persiguen el objetivo de proporcionar información de los cambios de temperatura en diferentes secciones del puente y correlacionar la información con las deformaciones para poder asociar el nivel de deformación por incremento de temperatura.

 

El medidor de deslazamiento es utilizado para conocer la deformación de la junta de expansión por cambios de temperaturas globales y condiciones normales de operación.

 

Para adquirir la información de cada uno de los sensores es necesario un sistema que consta de una computadora que controla la frecuencia de adquisición de datos del sistema, el tamaño de los archivos, la visualización de la información y un interrogador que controla y adquiere el valor de cada sensor en intervalos iguales de tiempo. Una vez instalado, este equipo tiene capacidad para interrogar 16 canales utilizando un  multiplexor (ver figura 2).

 

 

 

Figura 2. Módulo de sensores equipos de adquisición y pre procesamiento de datos

 

 

En total, se instalaron 122 sensores de fibra óptica, los cuales están distribuidos en 14 canales de adquisición. Para tener una mayor sensibilidad y desempeño del módulo, los sensores fueron agrupados por tipos de sensores, de tal manera que 4 canales fueron utilizados para conectar acelerómetros, 2 canales para inclinómetros y 8 canales para los sensores de deformación.  A su vez, los sensores de deformación fueron divididos en 6 canales para sensores instalados en acero y 2 canales para sensores instalados en concreto.

 

El módulo de energización del puente Mezcala se configuró con base en el  consumo de energía de los equipos  instalados en el puente. Este módulo se divide en dos centros de alimentación, el primero de ellos, instalado en las caras de interiores de la Pila 3, para suministrar energía a todos los equipos con excepción de los equipos asociados a la cámara de video instalada en la Pila 4. Por ello, fue instalado el segundo centro de alimentación en las caras internas de la Pila 4 lado aguas abajo. Los consumos de energía eléctrica son detallados en la Tabla 1. De acuerdo a los valores de la tabla 1 se puede observar que los equipos con mayor demanda son la computadora personal, el sistema de comunicaciones y el interrogador.

 

Ubicación

Equipo

Marca

Modelo

Voltaje-VDC

Voltaje-VAC

Potencia-W

Pila 3

PC

Dell

XPS 8500

NA

120

88.8

Monitor

AOC

E2060s

NA

120

30.0

Enfriadores

NMB-MAT

4715-12T-B5A

NA

120

80.0

Módem y switch para antena satelital

NA

NA

NA

120

120.0

Interrogador

Micron

SM-130

12

NA

50.4

Switch para equipos Ethernet

Netgear

FS105

12

NA

10.0

Sismométro

Nomis

Mini supergraph

6

NA

8.4

Estación climatológica

Weather Hawk

WXT 520

12

NA

2.4

Receptor estación climatológica

Campbell Scientific

RF401

12

NA

2.4

Convertidor Ethernet-Fibra-cámara 1

Comnet

CNFE1005S

12

NA

4.8

Convertidor Fibra-Ethernet-cámara 1

Comnet

CNFE1005S

12

NA

4.8

Encoder- Cámara 1

Bosh

VIP X1_XF_E

12

NA

6.0

Cámara 1

Bosh

MIC 400

NA

18

35.0

Convertidor Ethernet-Fibra-cámara 2

Comnet

CNFE1005S

12

NA

4.8

Pila 4

Convertidor Fibra-Ethernet-cámara 2

Comnet

CNFE1005S

12

NA

4.8

Encoder- Cámara 1

Bosh

VIP X1_XF_E

12

NA

6.0

Cámara 1

Bosh

MIC 400

NA

18

35.0

Tabla 1. Consumo de energía eléctrica por equipo.

 

Para satisfacer la demanda de energía por el sistema de monitoreo y adquisición de datos, se instalaron 47 paneles solares de 240 watts, 32 baterías, 5 controladores de carga y 2 inversores de corriente en dos arreglos; el primer arreglo se configuró para energizar los equipos instalados en la Pila 3 y consta de 39 paneles solares, 24 baterías 4 controladores de carga y un inversor,  el segundo arreglo (figura 19), se configuró para energizar la cámara instalada en la Pila 4, esta consta de 8 baterías y 8 paneles solares.

 

El módulo de comunicación remota consta de una antena satelital ubicada en la Pila 3, lado aguas abajo (figura 3), un modem y un switch, con lo cual se obtiene un enlace simétrico a 1024 kbps. La administración del módulo de  sensores, equipos de adquisición y pre procesamiento de datos se realiza de manera remota en el Centro de Monitoreo de Puentes y Estructuras Inteligentes (CMPEI) ubicado en el Instituto Mexicano del Transporte.

 

Figura 3. Antena satelital puente Mezcala.

 

Conclusiones

 

El Puente Mezcala es el primer puente del  centro de monitoreo de puentes y estructuras inteligentes, que se ha desarrollado en su totalidad por investigadores del IMT, lo cual ha implicado el diseño del módulo de sensores y adquisición de datos (ubicación, tipo y características de cada componente), la configuración del sistema de monitoreo (incluyendo el software), el diseño de las estrategias para la evaluación estructural y el manejo de la información y transmisión remota.

 

La experiencia adquirida en la instrumentación y monitoreo remoto del puente Río Papaloapan contribuyó a generar ahorros económicos en consumos de energía y de instalación del sistema de monitoreo, en el desarrollo de software para el manejo y visualización de la información, y en generación de protocolos de comunicación más eficientes.

 

El sistema de monitoreo remoto del puente Mezcala es más robusto que los sistemas de monitoreo de los otros puentes del CMPEI, todos los sensores tienen enlaces redundantes, lo que disminuye la probabilidad de perder información de monitoreo sin incremento en el costo de instalación del sistema.

 

Actualmente el sistema de monitoreo remoto está trabajando al 100% y se ha comenzado a configurar con mayor detalle las alarmas bajo condiciones de operación normal y a calibrar modelos matemáticos para estudios de confiabilidad, detección de daño, modelos de deterioro y diseño de los protocolos de actuación ante eventos críticos.    

 

Referencias

 

1)    http://cuentame.inegi.org.mx/mapas/pdf/nacional/tematicos/zonas_sismicas.pdf

2)    Juan Antonio Quintana Rodríguez, Francisco Javier Carrión Viramontes, Saúl Enrique Crespo Sánchez, Daniel Rodríguez Naranjo; Luis Álvaro Martínez Trujano; Héctor Miguel Gasca Zamora; Daniel Arceo Mariñelarena; Andrés Hernández Guzmán; Jorge Hernández Figueroa "Estrategias de evaluación y análisis del monitoreo del puente Río Papaloapan", Publicación Técnica 441, Sanfandila, Qro., 2015.

3)    Martínez Trujano Luis Álvaro, Quintana Rodríguez Juan Antonio, Arroyo Ramírez Benjamín, Carrión Viramontes Francisco Javier, Crespo Sánchez Saúl Enrique, Hernández Figueroa Jorge Alberto, Bonilla Ureña Víctor Manuel, Gasca Zamora Héctor Miguel, Hernández Guzmán Andrés “Sistema inteligente y protocolos de actuación para monitoreo remoto de puentes” Publicación Técnica 464, Sanfandila, Qro., 2016.

4)    Saúl Enrique Crespo Sánchez, Francisco Javier Carrión Viramontes, Juan Antonio Quintana Rodríguez, Jorge Hernández Figueroa, Alvarado Cárdenas Roberto, Daniel Rodríguez Naranjo, Héctor Miguel Gasca Zamora; "Monitoreo estructural del acueducto de Querétaro durante la ampliación del Boulevard Bernardo Quintana”, Publicación Técnica 418, Sanfandila, Qro., 2014.

5)    Juan A. Quintana, Francisco J. Carrión, Saul E. Crespo, Vıctor Bonilla, Paul Garnica, Alfonso Perez,  SHM and evaluation of a continuous reinforced concrete pavement, Journal of Civil Structural Health Monitoring (2016) 6:681–689.

 

 

 

QUINTANA Juan
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CRESPO Saúl
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HERNÁNDEZ Jorge
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GASCA Héctor
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MARTÍNEZ Álvaro
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