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Introducción El Puente “El Carrizo” es una de las estructuras de ingeniería más importantes de la Autopista Mazatlán-Durango. Debido a que esta carretera conecta la costa del Pacífico con la del Golfo de México, es muy significativo su aporte para la economía del país. A principios de enero del 2018, un accidente de tráfico sobre el puente, causó un incendio y muchos daños sobre los elementos estructurales de la sección del doble voladizo, por lo que fue necesario reparar y rehabilitar la estructura. Cuando el puente fue totalmente reparado, se realizaron diferentes pruebas de carga para evaluar la integridad y los trabajos de mantenimiento realizados. Durante los trabajos de rehabilitación y ejecución de las pruebas de carga, el puente se instrumentó con el objetivo de realizar un seguimiento puntual de los parámetros estructurales y determinar los factores de condición de carga durante cada una de las etapas de mantenimiento. Esto, para garantizar la integridad de la estructura y la seguridad de los usuarios. Los principales instrumentos empleados para el monitoreo fueron los siguientes: extensómetros, inclinómetros y LVDT. Sin embargo, debido a la incertidumbre en los resultados ocasionados por la altura del puente y la topografía inhóspita que se libra en la instalación de los sensores LVDT, se optó por complementar la instrumentación con receptores GNSS (Global Navigational Satellite System). El sistema GNSS ha sido evaluado de forma exitosa para aplicaciones de monitoreo estructural [1-4]. Actualmente, diferentes constelaciones satelitales forman GNSS, como GALILEO (Europe’s Global Satellite Navigation System) de la Unión Europea, QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) de Japón, GPS (Global Positioning System) desarrollado por Estados Unidos, Rusia tiene GLONASS (Global Navigation Satellite System), COMPASS (BeiDou Navigation Satellite System) es propiedad de China e IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) es de la India [5]. La principal característica de los receptores GNSS que permite su implementación para monitorear el comportamiento de un puente es proporcionar desplazamiento 3D con una instalación no compleja que no requiere mucho tiempo. En el presente trabajo, el método de Posicionamiento Puntual Preciso (GNSS-PPP) fue empleado para medir las deflexiones del Puente “El Carrizo”. Por lo que, el objetivo principal es comparar sus resultados con respecto al LVDT en términos de desplazamiento vertical durante un conjunto de pruebas de carga. Puente “El Carrizo” El Puente “El Carrizo” se localiza en Sinaloa, México (Figura 1). Tres tipos de estructuras lo forman con una longitud total de 487 metros y un claro principal de 217.3 metros. La primera estructura es una sección atirantada de 364 metros, la segunda es la parte del doble voladizo con 70.6 metros de longitud, y la última parte, con aproximadamente 38 metros, es una sección de vigas post-tensadas tipo Nebraska. Adicionalmente, un tablero con segmentos de acero y 4 semi-arpas con 14 tirantes cada una son parte de la sección atirantada. Para soportar el tablero de concreto reforzado, la parte del doble voladizo tiene dos vigas cajón post-tensadas con vigas trasversales de acero.
Figura 1. Puente “El Carrizo”
Prueba de carga Para evaluar las mediciones GNSS y LVDT, se seleccionaron dos pruebas de carga. En la primera, dos vehículos T3-S3 con un peso de 52 toneladas cada uno, fueron colocados en la dovela número 7 y 8 del doble voladizo del lado Durango, sobre el carril de baja velocidad (figura 2). La secuencia de esta primera prueba de carga fue colocar el primer vehículo en el cuerpo A y el segundo en el cuerpo B; posteriormente, los vehículos fueron conducidos fuera del puente considerando el mismo orden usado para colocarlos. Por otra parte, la segunda evaluación usó cuatro vehículos C3 con un peso de 32 toneladas cada uno, los cuales fueron colocados sobre las dovelas 7 y 8 del doble voladizo de la siguiente manera: carril de baja velocidad en cuerpo A, carril de baja velocidad en cuerpo B, carril de alta velocidad en ambos cuerpos; más tarde, los vehículos en los carriles de baja velocidad fueron retirados y después los restantes.
Figura 2. Vista lateral del Puente “El Carrizo”
Los vehículos posicionados en la dovela número 7 y 8 del doble voladizo (dirección Durango), así como un ejemplo de la primera prueba de carga con las posiciones de los instrumentos (receptor GNSS y LVDT) son presentados en las Figuras 2 y 3, respectivamente.
Figura 3. Ejemplo de la primera prueba de carga
Campaña de medición El receptor GNSS empleado fue el Hi-Target V60. Este instrumento, se instaló sobre el cuerpo B en la dovela número 8, midiendo con una frecuencia de muestreo de 10 Hz. Es importante mencionar algunos parámetros de configuración durante las mediciones GNSS como una máscara de elevación de 10°, visión de por lo menos 6 satélites y un máximo valor de Dilución de la Precisión (por sus siglas en inglés, DOP) de 3. En el caso del LVDT, éste fue instalado en la parte inferior del puente en la dovela número 8 del cuerpo A, midiendo con una frecuencia de adquisición de 100 Hz.
Procesamiento de datos Para establecer las deflexiones a través del LVDT no fue necesario aplicar ningún post-proceso. Sin embargo, para el procesamiento de los datos GNSS se aplicaron los siguientes cuatro pasos. Primero, los datos crudos obtenidos a partir de las mediciones GNSS fueron transformadas a formato RINEX (Receiver Independent Exchange). Después, utilizando el software Canadian Spatial Reference System (CSRS) se procesaron los archivos RINEX en modo PPP-cinemático, obteniendo series de tiempo en coordenadas geodésicas; debido a la capacidad del software, solamente se procesó la información proveniente de GLONASS y GPS. Posteriormente, se mitigó el efecto de multi-trayectoria a través de un filtro adaptativo y las series de tiempo resultantes fueron transformadas en desplazamiento aparente con valores alrededor de su media estadística. Finalmente, se extrajo el desplazamiento semi-estático con el filtro media móvil. Resultados A causa de que ambos instrumentos estuvieron en diferentes cuerpos del puente, una comparación directa no fue posible. Consecuentemente, esta sección resume la información más importante brindada por los instrumentos. En la Figura 4, se puede observar la información recolectada durante la primera prueba de carga en los cuatro eventos más relevantes, los cuales se describen a continuación: 1. Primer vehículo T3-S3 fue colocado en carril de baja velocidad del cuerpo A: el LVDT midió una deflexión de casi 7 milímetros pero el receptor GNSS no mostró algún cambio. 2. Segundo vehículo T3-S3 se agregó en el carril de baja velocidad del cuerpo B: la deflexión del LVDT se incrementa ~2 milímetros del último valor; en el caso del receptor GNSS, su deflexión alcanzó aproximadamente 7 milímetros. 3. El vehículo en el cuerpo A fue retirado: la deflexión LVDT regresa a ~3 milímetros y la medición GNSS no presenta actividad. 4. El vehículo en el cuerpo A se movió fuera del puente: los valores arrojados por ambos instrumentos regresaron a una magnitud cercana a cero.
Figura 4. Resultados de la primera prueba de carga
De la primera prueba de carga se puede concluir que la deflexión del LVDT se incrementó 2 milímetros cuando el segundo vehículo estuvo en posición (cuerpo B en el carril de baja velocidad); sin embargo, el receptor GNSS no mostró desplazamiento cuando el puente tiene vehículos sobre el cuerpo A, en el carril de baja velocidad. Esto, probablemente debido a la resolución del receptor GNSS y también a que el cuerpo B es más rígido que el cuerpo A. Por otro lado, es interesante que la deflexión de los datos GNSS producida por el vehículo en el cuerpo B (segundo evento) fue casi igual que la que registró el LVDT cuando el primer evento terminó. La Figura 5, presenta los desplazamientos medidos por el receptor GNSS y LVDT en el segundo experimento, los eventos observados son los siguientes: 1. Un vehículo C3 se posicionó en el carril de baja velocidad del cuerpo A: el LVDT obtuvo una deflexión de aproximadamente 4 milímetros. 2. Un vehículo C3 se agregó en el carril de baja velocidad del cuerpo B: la deflexión del LVDT se incrementó 2 milímetros a partir del valor previo y la deflexión del receptor GNSS alcanzó los 9 milímetros. 3. Otro vehículo C3 se colocó en el carril de alta velocidad para cada cuerpo: la deflexión del LVDT aumentó casi 4.5 milímetros y la de deflexión del receptor GNSS en 2 milímetros. 4. Los vehículos en los carriles de baja velocidad de ambos cuerpos fueron retirados del puente: la deflexión decreció 5 y 7 milímetros para LVDT y receptor GNSS, respectivamente. 5. Los vehículos en los carriles de alta velocidad de ambos cuerpos fueron retirados: la deflexión medida por ambos instrumentos regresó a un valor cercano a cero.
Figura 5. Resultados de la segunda prueba de carga
Se puede observar que en la tercera etapa, ambos instrumentos registraron deflexiones muy similares. Por otra parte, de nueva cuenta, la deflexión del receptor GNSS no mostró algún desplazamiento cuando el puente fue afectado solamente en el cuerpo A sobre el carril de baja velocidad (primer evento). De las dos pruebas de medición, utilizando las configuraciones descritas, se pueden observar los siguientes fenómenos; la configuración utilizando el vehículo T3-S3, en la etapa 2 (máxima carga), provocó 7 milímetros de deflexión para el receptor GNSS y 9 milímetros para el LVDT, mientras que usando la configuración con los vehículos C3 en la etapa 3 (máxima carga), se generaron desplazamientos de 11 milímetros para ambos instrumentos. Lo anterior debido a que la carga del vehículo C3 está más concentrada en un área menor del doble voladizo.
Conclusiones Basado en la comparación entre el LVDT y receptor GNSS en dos diferentes pruebas de carga, se puede concluir que las mediciones GNSS son una alternativa viable para medir la deflexión de puentes por su relativamente fácil instalación y buen desempeño. Una posible investigación futura en este tema puede ser el monitoreo estructural usando un mayor número de constelaciones satelitales para determinar si los resultados GNSS mejoran. Agradecimientos Se reconoce la participación y se agradece la asesoría técnica del Dr. Francisco Javier Carrión Viramontes, Dr. Juan Antonio Quintana Rodríguez, Dr. José Ramón Gaxiola Camacho, Dr. Guadalupe Esteban Vázquez Becerra y el Ing. Jesús René Vázquez en el análisis y evaluación de la información para la elaboración de esta nota.
Referencias [1] V. Ashkenazi and G. W. Roberts. Experimental monitoring of the humber bridge using gps. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Civil Engineering, 120(4):177–182, 1997. [2] T. Watson and R. Coleman. Structural monitoring of cable-stayed bridge: Analysis of gps versus modeled deflections. Journal of Surveying Engineering, 133(1):23–28, 2007. [3] SB Im, S. Hurlebaus, and YJ Kang. Summary review of gps technology for structural health monitoring. Struct Eng, 139:1653–64, 2011. [4] P. Psimoulis, S. Pytharouli, D. Karambalis, and S. Stiros. Potential of global positioning system (gps) to measure frequencies of oscillations of engineering structures. Journal of Sound and Vibration, 318(3):606–623, 2008. [5] B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, and E. Wasle. GNSS global navigation satellite systems: GPS, GLONASS, Galileo, and more. Springer Science & Business Media, fifth edition, 2007. [6] N. Raziq and P. Collier. High precision GPS deformation monitoring using single receiver carrier phase data. In Geodetic Deformation Monitoring: From Geophysical to Engineering Roles. Springer, Berlin, Heidelberg. pp. 95-102, 2006. GUZMÁN Michel GASCA Héctor HERNÁNDEZ Andrés MONTES Mario |
