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1 Introducción.Los manuales y procedimientos actuales para la inspección de puentes incluyen diferentes técnicas no destructivas, cuyo objetivo es detectar e identificar grietas o daño de manera eficaz (1) (2), sin dañar los elementos estructurales inspeccionados, antes de que haya deterioro crítico y su reparación sea costosa. La información que proporcionan estas técnicas sirve para monitorear la condición de los puentes y aplicar acciones oportunas de conservación, para garantizar la seguridad de los usuarios y la integridad de las estructuras y, con base en ello, optimizar los recursos financieros necesarios. Las técnicas de inspección y evaluación no destructiva más comúnmente utilizadas en los puentes son: velocidad de pulso ultrasónico, inspección radiográfica, líquidos penetrantes, pruebas con partículas magnéticas, ultrasonido y emisiones acústicas. En particular, en los últimos años, se ha buscado adaptar estas técnicas para monitorear, detectar y hacer predicciones que ayuden a extender la vida útil de los elementos estructurales de un puente o una estructura civil. De las técnicas mencionadas destaca la de emisión acústica (EA), por ser una herramienta no destructiva que puede evaluar materiales sometidos a carga viva sin interrumpir la operación de la estructura. Esta técnica se basa en el principio físico de que todos los materiales, ante la liberación de un esfuerzo, generan ondas elásticas transitorias que pueden ser “escuchadas” en forma de emisiones acústicas. De manera coloquial, las emisiones acústicas son la forma de cómo un elemento estructural se “queja” ante la acción de las cargas vivas. Así, las emisiones acústicas están asociadas con zonas de concentración de esfuerzos e, inclusive, con zonas donde se propagan grietas por fatiga o sobrecarga. En general, todas las emisiones acústicas se relacionan con defectos o zonas donde potencialmente se pueden producir fallas estructurales; la clave fundamental de esta técnica está en saber qué escuchar, cómo interpretar y evaluar las señales y cómo dar seguimiento a su evolución en el tiempo. Algunas de las aplicaciones exitosas de EA son la detección y localización de defectos activos (3), la detección de fallas por agrietamientos por fatiga en estructuras, la caracterización de los mecanismos de daño variante (4) y el monitoreo del agrietamiento por corrosión bajo esfuerzo (5). Los elementos estructurales de los puentes son principalmente de acero y/o concreto. Se sabe que estos materiales, al someterse a las condiciones de cargas de operación normal, emiten emisiones acústicas ante los diversos mecanismos de daño que ocurren dentro del material. Estas ondas son captadas por sensores en la superficie del elemento estructural y, al ser evaluadas, se obtiene información general sobre la condición del elemento, lo cual ayuda a los ingenieros a emitir un mejor diagnóstico y a priorizar la reparación y el mantenimiento, en caso necesario. 2 Emisiones Acústicas.El término de emisión acústica (EA) desde el punto de vista de un proceso físico, es la onda que se genera ante la liberación espontánea de energía de los materiales cuando están sometidos a deformaciones y procesos de fractura. Formalmente definida, las emisiones acústicas comprenden los fenómenos en los que ondas elásticas transitorias son generadas por la rápida liberación de energía dentro del material (6). Propiamente, estas ondas elásticas se conocen como emisiones acústicas. En la Figura 1 se ilustra la generación de la onda de EA por una fuente, al someter el material a una carga. Las ondas elásticas se propagan dentro del material y, eventualmente, alcanzan la superficie de éste y producen pequeños desplazamientos temporales que detectan los sensores.
Figura 1 Fuente de EA generando una onda de EA por una carga en el material. Cadena del proceso de EA: sensor, señal de EA, sistema de adquisición (7).
El método de evaluación no destructiva por emisión acústica es reconocido por su capacidad para monitorear la integridad estructural en tiempo real, para detectar la aparición de defectos y fallas incipientes, así como para la caracterización de materiales. A diferencia del ultrasonido o de radiografía, es un método pasivo, ya que no se requiere excitar al elemento de ensayo con ninguna onda, sino solamente se reciben las ondas de EA cuando el elemento estructural se somete a esfuerzos. En este sentido, el método de EA difiere de otros métodos en dos aspectos fundamentales: 1. La onda de EA se origina en el elemento inspeccionado. 2. Detecta movimientos en tiempo real (procesos dinámicos), pero no discontinuidades geométricas sin movimiento o avance, previamente existentes. Debido a esas características, la evolución de grietas y la deformación plástica de materiales son fuentes tradicionales importantes de ondas de EA.
2.1 Fuentes de emisiones acústicas.Los cambios de deformación o carga en materiales sólidos producen diferentes tipos de fuentes de ondas de EA. El amplio rango de posibles fuentes de eventos de EA se puede clasificar en dos tipos: primarias y secundarias. Las más importantes son las siguientes, que se esquematizan en la Figura 2, (8): · Eventos primarios: Degradación de materiales y procesos de falla tales como crecimiento de grietas, deformaciones, formación de huecos, corrosión y fracturas. · Eventos secundarios: Procesos tribológicos, especialmente fricción entre superficies como las caras de una fractura, cohesión y descohesión de productos de corrosión, fugas de líquidos o gases, procesos de soldadura y detección de piezas sueltas.
Figura 2 Fuentes primarias y secundarias de EA (8).
3 Inspección de EA en puentes.La aplicación de la tecnología de EA para el monitoreo e inspección de puentes ha sido un campo de estudio activo en las últimas décadas, ya que los materiales utilizados en la construcción de puentes, como el acero y el concreto, generan EA. Algunos casos de estudio se describen a continuación, en los que las emisiones acústicas están en función de la naturaleza de los materiales inspeccionados. Una de las principales aplicaciones es en la inspección de puentes metálicos para identificar y localizar grietas ocasionadas por fatiga, fricción y corrosión, ya sea en elementos soldados o unidos con pernos. Ejemplo de éxito reciente fue el estudio del puente Alexandra (9), ubicado entre Ottawa y Gatineau, Canadá, que se instrumentó con sensores de deformación y emisiones acústicas (Figura 3). El puente fue construido por Canadian Pacific Railway en 1898 con más de 600 barras de unión para formar dos armaduras simplemente apoyadas. El objetivo principal del uso de la técnica de EA fue la inspección de elementos estructurales (barras de unión articuladas), previamente identificados a través de la inspección visual y que mostraron condiciones de potencial daño por corrosión o por crecimiento de grietas por fatiga.
Figura 3 Inspección por EA del puente Alexandra, Canadá (9).
La inspección se realizó en varias etapas; una de ellas fue el monitoreo de las barras de unión con el puente bajo operación con tráfico vehicular normal, con la finalidad de identificar los elementos más críticos. Posteriormente, un vehículo con carga controlada circuló sobre el puente, mientras se medían los esfuerzos en los elementos monitoreados para asociar la actividad acústica con el tipo de daño. La aplicación de la técnica de EA y la utilización de ubicación de la fuente por tiempos de llegada, arrojó como resultado el desgaste entre los pernos y las barras de unión, lo que puede iniciar un proceso de corrosión en estos elementos estructurales. En los últimos años, los ingenieros e investigadores se han centrado en el desarrollo de sistemas de monitoreo para la detección de daño en estructuras importantes. Nuevos sistemas de monitoreo de la salud estructural integran diferentes tipos de tecnologías, como es el caso del sistema prototipo del puente My Thuan en Vietnam (10) (Figura 4), el cual es un puente atirantado de 1560m con un claro principal de 350m.
Figura 4 Puente atirantado My Thuan, Vietnam (11).
Figura 5 Diagramas del sistema de monitoreo del puente My Thuan (10).
Por una parte, el sistema monitorea las deformaciones, inclinaciones y desplazamientos en tiempo real con un sistema de adquisición de datos tradicional y, por otra parte, se complementa con mediciones de la actividad acústica recabada por los sensores de EA (Figura 5). Este tipo de integración en los sistemas de monitoreo ayuda a detectar posibles daños, tanto de manera global como localizada. Particularmente, en el puente My Thuan, el sistema de monitoreo se enfocó en dar seguimiento a los agrietamientos del concreto en la zona de anclaje de los cables para determinar si existía alguna evolución del daño detectado mediante las inspecciones visuales. Otro tipo de puentes en los cuales se ha utilizado la técnica de EA, son los de mampostería. Estos puentes presentan mayor dificultad de inspección con esta técnica debido a que el material utilizado para unir los ladrillos o rocas suele actuar como atenuador de las señales acústicas, lo que dificulta el viaje de las ondas desde la fuente hasta los sensores. Sin embargo; si se calibra el efecto de atenuación de acuerdo con la selección y colocación de los sensores, puede ayudar a tener éxito en la inspección. Tal es el caso del monitoreo de EA en un puente arcado ubicado en Europa, como el que se muestra en la Figura 6 (12), cuyas inspecciones tenían la finalidad de localizar daño y determinar su causa. Este puente tiene un claro de 3.6 m que aloja vías del ferrocarril por las que circulan trenes ligeros de pasajeros y trenes de carga. El estudio consistió en realizar el monitoreo de la actividad acústica durante el paso de los dos tipos de trenes y se comparó la actividad y energía acumulada de las señales acústicas. Según las gráficas de la inspección (Figura 7), se comprobó que los trenes de carga causan daños por fatiga en el arco y ocasiona agrietamientos, mientras que las señales debido al paso del tren ligero no muestran eventos significativos de emisión acústica. Además de lo anterior, del análisis se pudo localizar la región de daño, según se muestra en la Figura 6.
Figura 6 Puente de mampostería monitoreado con EA (12).
Figura 7 Señales registradas por el paso de a) trenes ligeros de pasajeros y b) trenes de carga (12).
En México, un caso de éxito es la aplicación de EA en el Puente Río Papaloapan, puente de tipo atirantado que se localiza en el Estado de Veracruz, construido en 1994, con un claro máximo de 203 m y una longitud total de 407 m. El puente tiene 112 tirantes distribuidos en 8 semi-arpas, con 14 tirantes cada una. Para simplificar la identificación, las semi-arpas fueron etiquetadas de la 1 a la 8 (S1-S8), según se indica en la Figura 8, mientras que los tirantes fueron marcados del 1 al 14, del más corto al más largo.
Figura 8 Semi-arpas del puente atirantado Río Papaloapan
El diseño único del sistema de anclaje superior de los tirantes fue desarrollado por Astiz (13), el cual consiste en una placa de acero soldada en un extremo plano del elemento de anclaje y, en el otro, de forma cilíndrica para enroscar el capuchón que sostiene el tirante (Figura 9).
Figura 9 Ensamble del anclaje superior utilizado en el sistema de tirantes del Puente Río Papaloapan.
En junio de 2015 se presentó la falla del elemento de anclaje superior del tirante 1 en la semi-arpa 5 (Figura 10). El análisis de falla del elemento fracturado concluyó que la causa principal fue una deficiente soldadura (14), que generó una zona de concentración de esfuerzos y, eventualmente, desarrolló una grieta que creció hasta producir la falla, después de 20 años de servicio.
Figura 10 Elemento de anclaje del tirante 1, semi-arpa 5, que falló. Para evaluar el resto de los elementos de anclaje e identificar posibles fallas de naturaleza similar, se optó por utilizar la técnica de EA. Para la instrumentación de los elementos de anclaje superior en las torres se instalaron dos sensores acústicos, ubicados en la zona no embebida en concreto entre la torre y la conexión del tirante (Figura 11).
Figura 11 Diagrama de colocación de los sensores de EA en el elemento de anclaje.
Después de registrar la actividad acústica en los elementos de anclaje, la información se analizó por la metodología propuesta por T. J. Fowler, la cual utiliza un Índice de Severidad, indicador representativo de la actividad acústica relacionada con el agrietamiento. El análisis de la información adquirida de los elementos de anclaje superior permitió correlacionar los defectos de la soldadura y la actividad acústica, mediante lo cual fue posible identificar los elementos más críticos. A partir de esos resultados se seleccionaron dos elementos de anclaje superior para inspeccionar con líquidos penetrantes y ultrasonido y, de esta manera, obtener una correlación entre el índice de severidad y los daños encontrados por estas dos técnicas no destructivas. La condición de la soldadura se calificó siguiendo los criterios del código AWS (15). Al descubrir la zona de la soldadura embebida en concreto de los dos elementos de anclaje se encontró que uno de ellos contenía defectos pequeños que, según el criterio AWS, podían ser aceptados. En tanto, el otro elemento de anclaje contenía un defecto en la raíz de la soldadura que, aplicando el mismo criterio de AWS, tenía que ser rechazado, lo cual implicó su sustitución. Con base en lo descrito anteriormente, se estableció un umbral de aceptación en cuanto a los niveles de emisión acústica que se obtuvieran de la inspección. Así mismo, se determinó que los elementos con actividad de EA cercanos o superiores al elemento de anclaje con defectos en la raíz de la soldadura, tienen una muy alta probabilidad de que deban ser rechazados por los defectos que puedan contener si se aplica el criterio del código AWS. Ante esta circunstancia, se seleccionaron 10 elementos de anclaje que mostraron una muy alta probabilidad de tener defectos en la soldadura por tener los valores del índice de severidad mayores. 4 Conclusiones.La técnica de emisiones acústicas tiene el potencial para detectar y predecir daño en elementos de acero y de concreto; por tanto, resulta de gran ayuda en la inspección y conservación de puentes debido a que la gran mayoría son construidos con estos materiales. Una de las ventajas de la aplicación de EA es que la inspección de la estructura puede realizarse sin la interrupción de su operación, ya que el tránsito vehicular y las excitaciones ambientales favorecen la liberación de ondas elásticas transitorias, lo que facilita detectar defectos en los elementos inspeccionados. La técnica de EA permite diseñar programas de inspección por periodos largos y permanentes de las señales adquiridas para predecir la evolución de los defectos de forma puntual. No obstante, la aplicación de la técnica por EA suele ser compleja, por lo cual requiere personal capacitado y con experiencia. Además, es necesario establecer una metodología que tiene que ser calibrada y validada para adquirir y evaluar las señales acústicas, identificar daño y determinar su posible evolución en el tiempo, por lo que debe incluir un procedimiento experimental que depende del tipo de material y la geometría del elemento estructural evaluado. En el Instituto Mexicano del Transporte se ha aplicado la técnica de EA para la inspección de elementos estructurales en puentes de manera exitosa, como es el caso del Puente Río Papaloapan. Su aplicación permitió detectar elementos estructurales con daño y, a su vez, elaborar un programa de mantenimiento de la estructura para sustituir estos elementos. La experiencia adquirida en la aplicación de la técnica por EA ha facilitado mejorar y desarrollar metodologías de inspección cuantitativas y más precisas. 5 Agradecimientos.Se reconoce la participación y se agradece la asesoría técnica del Dr. Francisco Javier Carrión Viramontes y al Dr. Juan Antonio Quintana Rodríguez para el desarrollo, revisión y las facilidades para la realización del presente trabajo.
6 Referencias1. LA EVALUACIÓN NO DESTRUCTIVA DE MATERIALES ESTRUCTURALES Y PUENTES. Carrión, Francisco, y otros. 231, 2003, Publicación Técnica IMT. 2. Dirección General de Servicios Técnicos. Manual para Inspección de Puentes. Ciudad de México : Secretaria de Comunicaciones y Trasportes, Subsecretaria de Infraestructura, Dirección General de Servicios Técnicos, 2018. 3. The MOMPAC System. Fowler, Timothy, y otros. 1989, Journal Of Acoustic Emission. 4. Emisión Acústica: Método de Inspección No Destructivo Para La Evaluación De Componentes Soldados. Lara Magallanes, Juan y Sánchez Martínez, Martín. Corporación Mexicana de Investigación en Materiales. 5. Advanced signal analysis applied to discriminate different corrosion forms by acoustic emission data. Calabrese, Luigi, y otros. 2016, 32nd European Conference on Acoustic Emission Testing. 6. ASTM International. ASTM E1316, Standard Terminology for Nondestructive Examinations. West Conshohocken, PA : ASTM, 2022. 7. Physical Acoustics. Acoustic Emission Technology. [En línea] [Citado el: 01 de 02 de 2020.] https://www.physicalacoustics.com/ae-technology/. 8. Gallego Molina, Antonio y Martínez González, Eva. Emisión Acústica Niveles I y II. España : FC EDITORIAL, 2015. 9. Monitoring fatigue cracks on eyebars of steel bridges using acoustic emission: A case study. Megid, Wael, y otros. 2019, Engineering Fracture Mechanics. 10. Acoustic Emission Method for Locating and Identifying Active Destructive Processes in Operating Facilities. Swit, Grzegorz. 2018, Applied Sciences. 11. Road and bridge engineering. The cable-stay bridges in Viet Nam. [En línea] http://roadandbridgeengineering.blogspot.com/2010/03/cable-stay-bridges-in-viet-nam.html. 12. A review on acoustic emission monitoring for damage detection in masonry structures. Verstrynge, Els, y otros. 2020, Construction and Building Materials. 13. Astiz M. A. Composite Construction in Cable-Stayed Bridge Towers. s.l. : International Conference on Composite Construction – Conventional and Innovative, Conference Report, 16-18 September 1997. págs. 127-132. 14. Terán, Jorge y Martínez, Miguel. Análisis de falla del elemento de anclaje del tirante 1 de la semi-arpa 5. Instituto Mexicano del Transporte. 2015. Informe de Servicios Tecnológicos. 15. An American National Standard, American Welding Society. AWS (2017) Structural Welding Code – Steel. AWS D1.1/D1.1M:2015, 23rd Edition. Miami, Florida. : s.n., 2017.
HERNÁNDEZ Jorge Alberto ANAYA Miguel MARTÍNEZ Luis Álvaro |
