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Introducción El monitoreo estructural ha sido de gran utilidad durante los últimos años para evaluar la integridad estructural y detectar daño de manera oportuna, lo cual ha permitido garantizar la seguridad de los usuarios y desarrollar programas de mantenimiento más eficientes. Sin embrago, hasta el momento, todos los estudios realizados de monitoreo estructural han sido locales, es decir, se enfocan a una sección específica de la carretera. Por consecuencia, a pesar de que el monitoreo determine que una estructura (puente, túnel, talud) se está comportando adecuadamente, no se tiene información del comportamiento y estado global de la infraestructura carretera. Por lo que es importante recurrir a una metodología global de monitoreo, inspección y evaluación, que permita detectar cambios en el comportamiento de la mayoría de los elementos críticos que conforman la infraestructura carretera. En la actualidad existe una gran variedad de misiones satelitales para estudiar el planeta Tierra, algunos satélites tienen la capacidad de medir la gravedad, el nivel del mar o incluso proporcionar información para detectar los cambios por el calentamiento global en grandes áreas de terreno. Dentro de esos satélites surge la tecnología SAR (Synthetic Aperture Radar), la cual ha sido empleada en diversos estudios de placas tectónicas, sismos, volcanes, extracción de gas/petróleo, subsidencia e hidrología [1]. Además, de acuerdo a sus características, la tecnología tiene el potencial para ser implementada en el monitoreo de estructuras [1-2]. Recientemente se han realizado diversos estudios aplicando la metodología InSAR (Interferometric SAR) para el monitoreo y evaluación de la infraestructura carreta. El IMT ha comenzado a examinar y evaluar los elementos de la infraestructura carretera que se pueden monitorear, los parámetros de control que se deben seguir y las plataformas que brindan información para aplicar la metodología InSAR. Uno de los estudios realizados, fue a través del desarrollo de un interferograma con imágenes SAR de la autopista Durango-Mazatlán. Antecedentes Una de las investigaciones más interesantes utilizando la tecnología InSAR es la realizada por Sousa y Bastos [3], la cual consiste en un análisis en retrospectiva a través de imágenes SAR del colapso sufrido por el puente Hintze Ribeiro en Portugal. La estructura tenía una longitud aproximada de 336 metros, estaba formada por 7 claros, el tablero estaba apoyado en seis pilas de granito con alturas que varían de los 15 a los 30 metros (figura 1.1). El colapso del puente sucedió el 4 de marzo del 2001, este accidente es considerado el más crítico en la historia de Portugal. La investigación analizó 5.5 años de datos SAR de resolución moderada provenientes de la misión satelital ERS-1/2 con la combinación de los métodos PSI (Persistent Scatterers) y SB (Small Baseline).
Figura 1.1. Puente Hintze Ribeiro [3]. El reporte oficial de los hechos tras el accidente indicó que la causa del derrumbe fue la pérdida del soporte de sedimento en el terreno de la cimentación de la pila, así como las altas corrientes de agua provocadas por el comienzo del año hidrológico. Los resultados brindados por el estudio con imágenes SAR indicaron que los rangos de deformación continuamente sobrepasaban lo esperado para el tipo del puente y las deformaciones presentaban una tendencia sistemática en la misma dirección, por lo que, el comportamiento inestable del puente se pudo definir años antes de la catástrofe (figura 1.2 y 1.3).
Figura 1.2. Series del tiempo de los cuatro puntos sobre el puente [3]. A partir de esta investigación se concluye que InSAR tiene la capacidad de monitorear la estabilidad de puentes con el potencial de detectar desplazamiento con velocidades de unos cuantos milímetros por año, lo cual sirve para evaluar el riesgo de derrumbes y generar un sistema de alarma cuando el comportamiento esté fuera de los límites de diseño.
Figura 1.3. Promedio de deformación lineal sobre Google Earth [3]. Por otro lado, el trabajo presentado por Roccheggiani et al. [4] examina, por medio de InSAR, los desplazamientos del terreno producidos por la construcción del Tunel Fereggiano en la ciudad de Génova. Los datos SAR fueron obtenidos a través de la misión satelital Sentinel-1, el análisis fue realizado con 159 imágenes de forma ascendente y 161 de manera descendente, cubriendo un periodo desde octubre del 2008 hasta abril del 2015, cada imagen se adquirió con una resolución temporal de 6 o 12 días. En los resultados del procesamiento se puede apreciar una relación entre la subsidencia encontrada con las imágenes SAR con respecto al avance que presentaba la construcción del túnel (gráficas en la derecha de la figura 1.4). Además, en las curvas de nivel de la figura 1.4 se ilustra dos zonas de subsidencia cercanos al punto de referencia 72222 y 52000, sin embargo, también se puede apreciar estabilidad en el entorno de dichas áreas. La investigación concluye que la información de Sentinel-1 puede emplearse para monitorear infraestructura durante el proceso de construcción, al ser imágenes de acceso libre con repetibilidad cada 6 días, se tiene un beneficio económico. Adicionalmente, la información obtenida se puede utilizar para simular el comportamiento del terreno durante cada etapa de la construcción.
Figura 1.4. Resultados del proceso InSAR [4].
Figura 1.5. Ciudad de Génova y la ubicación de la construcción del tunel Fereggiano [4].
La Universidad de Virginia y el departamento de transporte de Virginia [5] desarrollaron una investigación para detectar subsidencia, laderas inestables, socavación y monitoreo de puentes con InSAR de forma automatizada. Posteriormente, validaron los resultados en campo con la implementación de otras metodologías de medición como LiDAR (Light Detection and Ranging) [6] y fotogrametría digital. En las siguientes imágenes se puede apreciar los resultados encontrados: · Las figuras 1.6 y 1.7 ilustran el análisis realizado en taludes. En ambas gráficas se observa una tendencia en la disminución de la altura del terreno. · La figura 1.8 presenta un ejemplo del posible desarrollo de la socavación. Su detección se basa en la idea de que un punto que alguna vez fue coherente y posteriormente ya no lo es, se debe al excesivo movimiento del terreno o posible generación de la socavación (color rojo en la imagen indica sedimentación). · El Monitoreo de puentes en algunos casos puede ser complicado debido a la dificultad de encontrar un reflejante natural de la señal electromagnética en las estructuras, para este tipo de casos se suelen colocar reflejantes prefabricados en los lugares de interés para detectar cambios (figura 1.9). · En el caso de daños en el pavimento se encontró una relación entre las diferentes respuestas de desplazamiento con respecto a evidencias visibles (figura 1.10). Esta investigación concluye que el InSAR tiene el potencial para el monitoreo de la infraestructura de transporte. Los posibles usos cubren el monitoreo de sedimentación en el entorno de puentes, entradas de túneles, estructuras de drenaje, muros de contención y vías férreas. Es importante remarcar que, por su capacidad de detectar cambios al nivel de unos cuantos milímetros, se puede aplicar InSAR en la evaluación de geo-peligros en la infraestructura carretera.
Figura 1.6. Monitoreo al muro de contesión de rocas [5].
Figura 1.7. Monitoreo de taludes [5].
Figura 1.8. Detección de socavación [5].
Figura 1.9. Monitoreo de puentes [5].
Figura 1.10. Calidad del pavimento [5].
Aplicación de la metodología InSAR en la autopista Durango Mazatlán Las imágenes SAR están compuestas de valores de fase e intensidad como un número complejo. La fase tiene información de la distancia del objeto y la intensidad de características como rugosidad, pendiente y propiedades eléctricas [7]. InSAR es una metodología que permite calcular la diferencia de fase entre dos o más imágenes SAR de una misma zona, pero obtenidas en diferentes periodos de tiempo con el propósito de determinar la topografía y/o deformación del terreno. En el caso de evaluación de la metodología InSAR para la carretera Durango-Mazatlán, se emplearon dos imágenes que cubren parte de la autopista, una del 5 de julio y otra del 8 de agosto del 2019. Las imágenes fueron procesadas con los softwares libres SNAP y SNAPHU y éstas fueron obtenidas de la misión satelital Sentinel-1 que es operada por la ESA (Agencia Espacial Europea). Dicha misión está compuesta por una constelación de dos satélites Sentinel-1A y Sentinel-1B que comparten el mismo plano orbital y buscan cubrir la masa terrestre de todo el mundo cada dos semanas, zonas de mar-hielo, costas europeas y el océano abierto. El objetivo de Sentinel-1 es proporcionar datos para el monitoreo marítimo y terrestre, respuesta de emergencias, cambio climático y seguridad [8]. El resultado obtenido del procesamiento de las imágenes se presenta en la figura 1.1, la cual muestra desplazamientos entre 0.001 y 0.06 metros. En la misma figura se hace énfasis de la parte de la carretera Durango-Mazatlán en la zona que exhibió los mayores cambios de desplazamiento (zona marcada con cuadro rojo).
Figura 1.11. Interferograma resultante.
El área dentro del cuadro rojo en la figura 1.11, cubre aproximadamente desde el km 126+395 hasta el 142+436 de la autopista Durango-Mazatlán. Esta zona es ilustrada en la figura 1.12 y los cambios que sufrió se observan en la figura 1.13. Los desplazamientos que ocurrieron en la carretera y laderas fueron muy pequeños para considerarlos importantes, sin embargo, en algunas zonas montañosas el desplazamiento alcanzó aproximadamente los 6 centímetros.
Figura 1.12. Área de enfoque.
Figura 1.13. Resultado en taludes de la carretera.
Conclusión De acuerdo a estudios desarrollados en los últimos años [9], respaldado por la revisión del estado del arte hecha en el proyecto EI 15/19 "Análisis del potencial de tecnología satelital InSAR para el monitoreo de la infraestructura carretera" y el caso de estudio desarrollado en la investigación, se puede concluir que la metodología InSAR es una herramienta eficiente para ser aplicada en las siguientes áreas: · Caracterización de áreas aledañas de derrumbes y taludes inestables: InSAR es eficiente para observar derrumbes lentos que a su vez provocan fallas súbitas en los taludes. · Monitoreo de estructuras lineales: InSAR se puede aplicar para evaluar movimientos del terreno provocados por derrumbes, socavación y subsidencia, los cuales afectan líneas de tuberías, carreteras y vías férreas. · Análisis de la estabilidad de estructuras: InSAR es una herramienta para monitorear desde un edificio hasta una ciudad completa, se puede obtener una identificación temprana de cambios en la altura del terreno. · Verificación de daños causados por construcción: basado en información histórica de algunas misiones SAR se puede desarrollar un estudio de retrospectiva a partir de daños ocasionados por causas humanas o naturales.
Una desventaja de la metodología InSAR es el tamaño del archivo de cada imagen (aproximadamente 7 GB sin comprimir), por lo que se requiere de equipo de cómputo con características especiales capaz de realizar el procesamiento de las imágenes en poco tiempo. Adicionalmente, se necesita personal capacitado para desarrollar los estudios. Sin embargo, son más las ventajas de su aplicación, por ejemplo, la gran cantidad superficie que se puede analizar, la capacidad para detectar cambios en las velocidades de desplazamiento del terreno del orden de milímetros por año, imágenes y software de acceso libre, acceso a la información sin ir a la zona de estudio y la habilidad para estudiar varios elementos al mismo tiempo de la infraestructura carretera. Por todos estos factores, se puede plantear que la metodología InSAR es una alternativa para el monitoreo de la infraestructura carretera de manera global. Agradecimientos Se reconoce la participación y se agradece la asesoría técnica del Dr. Francisco Javier Carrión Viramontes para el desarrollo de esta nota. Bibliografía [1] Aeronáutica Nacional y Administración Espacial: https://nisar.jpl.nasa.gov/applications/ [2] Agencia Espacial Europea: http://www.esa.int [3] Sousa, J. J., & Bastos, L. (2013). Multi-temporal SAR interferometry reveals acceleration of bridge sinking before collapse. Natural Hazards and Earth System Sciences, 13(3), 659-667. [4] Roccheggiani, M., Piacentini, D., Tirincanti, E., Perissin, D., & Menichetti, M. (2019). Detection and monitoring of tunneling induced ground movements using Sentinel-1 SAR Interferometry. Remote Sensing, 11(6), 639. [5] Acton, S. (2015). Sinkhole detection, landslide and bridge monitoring for transportation infrastructure by automated analysis of interferometric synthetic aperture radar imagery (No. RITARS-11-H-UVA). United States. Dept. of Transportation. Research and Innovative Technology Administration. [6] Liu, W. (2010). Terrestrial LiDAR-based bridge evaluation. Dissertation Abstracts International, 71(06). [7] González Méndez, P. J. (2010). Medida y caracterización de deformaciones usando técnicas geodésicas y de teledetección. Aplicación en volcanología y sismotectónica. [8] Agencia Espacial Europea: https://sentinel.esa.int/web/sentinel/missions/sentinel-1/overview [9] Ferretti, A. (2014). Satellite InSAR data: reservoir monitoring from space. EAGE publications.
GUZMÁN Michel QUINTANA Juan GASCA Héctor ANAYA Miguel
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