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Introducción El monitoreo estructural de puentes es un campo esencial en la ingeniería civil moderna, particularmente útil en la gestión de puentes atirantados de la infraestructura carretera. Estas estructuras son consideradas críticas debido a su complejidad y su papel crucial en la conectividad regional, por lo que requieren un enfoque sistemático y continuo para asegurar su integridad y funcionamiento seguro. Para determinar la condición estructural de ese tipo de puentes de manera oportuna, minimizar los costos de mantenimiento, preservar su integridad y garantizar la seguridad de los usuarios, es importante el desarrollo de estrategias de monitoreo, ya sean temporal o permanente. La información obtenida debe ser acorde con las características de cada estructura, que considere el efecto de eventos o tendencias inusuales en los parámetros estructurales del puente o en situaciones extremas como accidentes viales, que facilite la identificación de puntos críticos cuyo análisis y evaluación genere un plan de acción a corto, mediano y largo plazo. Para cumplir con estas expectativas es necesaria una adecuada comunicación y colaboración entre los responsables del monitoreo y las autoridades encargadas de la seguridad, el mantenimiento y conservación de la infraestructura carretera (Martínez et al., 2023). En México, la Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes (SICT) cuenta con el Centro de Monitoreo de Puentes y Estructuras Inteligentes (CeMPEI), ubicado en el Instituto Mexicano del Transporte (IMT), que monitorea, analiza y evalúa la integridad estructural de los puentes instrumentados de la Red Carretera Federal. El puente atirantado “El Carrizo” (Figura 1), administrado por Caminos y Puentes Federales de Ingresos y Servicios Conexos (CAPUFE), es una estructura crítica que se localiza en el estado de Sinaloa y conecta el Golfo de México con la Costa del Pacífico. Diseñado por JESA Ingeniería y construido por Tradeco Infraestructura entre 2011 y 2013, este puente destaca por su longitud de 487 metros, con un claro principal de 217 metros, y una altura máxima de 226 metros hasta la parte superior del pilón. El puente está compuesto por trabes postensadas tipo Nebraska, doble voladizo con vigas tipo cajón y una sección atirantada con dovelas metálicas (Ochoa, 2013). Después de un incidente significativo en 2018 que dañó la sección de doble voladizo del puente, el IMT instaló un sistema de monitoreo continuo con sensores de fibra óptica FBG (rejilla o red de Bragg en fibra). Este sistema de monitoreo permitió, además de evaluar la integridad estructural durante la rehabilitación del puente, su monitoreo periódico posterior para verificar que los parámetros estructurales críticos permanecieran dentro de los límites seguros de operación. El objetivo de este artículo es presentar la metodología de monitoreo periódico adoptada para el puente “El Carrizo”, así como describir algunos resultados relevantes obtenidos en las diversas etapas de monitoreo y discutir sus implicaciones en la gestión y mantenimiento de la infraestructura del puente. Este enfoque integral es crucial para garantizar la seguridad continua de los usuarios y la conservación de la estructura.
Figura 1. Puente “El Carrizo” Fuente: Elaboración propia, 2023.
Antecedentes El 12 de enero de 2018 se suscitó un daño considerable en la sección de doble voladizo del puente (Figura 2), como resultado de la volcadura e incendio de un vehículo que transportaba diésel. El accidente provocó el derrame de combustible que tardó 6 horas en extinguirse (Ramírez, 2021).
Figura 2. Daños visibles en la parte inferior de la sección doble voladizo Fuente: Elaboración propia, 2018.
Para habilitar la circulación vehicular posterior al accidente, CAPUFE y la Dirección General de Servicios Técnicos (DGST) aprobaron un plan de acción en dos etapas. La primera consistió en rehabilitar el doble voladizo, efectuando la reparación y reforzamiento de los diafragmas para la construcción de una superficie de rodamiento provisional sobre las vigas tipo cajón. La segunda etapa se enfocó en la rehabilitación de la losa de concreto para llevar al puente a la condición de servicio previa al siniestro (Quintana et al., 2018). Sistema de monitoreo Durante las etapas de rehabilitación del puente entre abril y septiembre de 2018, el IMT realizó la instrumentación y monitoreo continuo de la sección doble voladizo con 24 sensores basados en tecnología de fibra óptica FBG instalados de manera permanente. De esos sensores, 16 fueron extensómetros de deformación unitaria, 4 inclinómetros y 4 de temperatura. En la Figura 3, en la parte izquierda, se muestra la instrumentación utilizada y, a la derecha, la arquitectura de interconexión entre los instrumentos con el sistema de adquisición de datos.
Figura 3. Instrumentación en dovelas de la sección doble voladizo Fuente: Elaboración propia, 2022.
Metodología de monitoreo periódico Para determinar la condición estructural del puente posterior a la rehabilitación se implementó una metodología de monitoreo periódico en seis etapas, ver Figura 4. Así, desde el año 2021 comenzó el monitoreo periódico como parte de los proyectos que realiza el IMT en la línea de investigación de sistemas de evaluación y gestión de la seguridad estructural de puentes y muelles. El proyecto se enfocó a la evaluación estructural del puente bajo condiciones de operación normal, con los siguientes objetivos: 1. Evaluar la condición estructural de la sección doble voladizo para establecer los límites de operación de los parámetros estructurales de la sección doble voladizo. 2. Determinar las frecuencias naturales y formas modales de la sección atirantada. 3. Calcular la tensión de los cables mediante pesajes dinámicos indirectos. 4. Desarrollar y calibrar un modelo matemático del puente.
Figura 4. Metodología para la evaluación periódica del puente “El Carrizo” Fuente: Elaboración propia, 2023.
Detalles de las actividades de cada etapa de la metodología propuesta se presentan a continuación: Etapa 1: Actualización de la información En esta primera etapa se obtuvo una línea base (valores de referencia) de cada uno de los parámetros estructurales de interés. Inicialmente, se utilizaron los valores de deformación unitaria por carga viva, centroides y ángulos de inclinación obtenidos al finalizar la rehabilitación del puente en 2018. Posteriormente, se actualizaron los valores de los parámetros estructurales con los registros obtenidos en las mediciones efectuadas durante 2021 y 2022. Etapa 2: Plan de monitoreo En esta etapa se ejecutó un conjunto de acciones de preparación previa a las mediciones en el puente. Estas acciones incluyeron la definición de fechas para las mediciones, gestión de permisos para ejecución de pruebas de medición en la estructura y apoyo para control vial, verificación del funcionamiento de equipos e instrumentos de medición y la gestión de recursos financieros y humanos del personal del IMT. Etapa 3: Mediciones en el puente A través de una estrategia de monitoreo periódico desde 2021 hasta 2023, se efectuaron las siguientes seis sesiones de mediciones: · 11-13 de mayo de 2021, · 17-19 de agosto de 2021, · 8-10 de marzo de 2022, · 21-23 de julio de 2022, · 20-22 de septiembre de 2022 y · 1-2 marzo de 2023. En cada sesión de monitoreo se realizaron mediciones en la estructura durante al menos dos días consecutivos a través de la instrumentación permanente desde 2018, correspondiendo a sensores de fibra óptica instalados en la sección doble voladizo y mediante instrumentación temporal basada en acelerómetros instalados in-situ, tanto en el tablero como en los cables de la sección atirantada. Con el sistema previamente instalado de 24 sensores FBG se registraron datos durante 6 horas continuas con una frecuencia de adquisición de 125 muestras por segundo. La información versó sobre el comportamiento de los parámetros estructurales de la sección doble voladizo tales como: amplitudes medias, límites inferiores y superiores de deformación unitaria por efectos de tensión y compresión, valor de referencia en los sensores de deformación unitaria e inclinación por carga muerta y efectos térmicos en la estructura. Datos de ese tipo permitieron estimar la ubicación del centroide y, límites de servicio y de ruptura (tensión y compresión) en las dovelas instrumentadas. De manera complementaria, in-situ se colocaron acelerómetros de tipo inalámbricos sobre el tablero del puente en las secciones doble voladizo y del tramo atirantado (Figura 5) para identificar: amplitudes máximas de aceleración, frecuencias naturales, amortiguamientos y modos de vibrar de la estructura. El monitoreo se realizó bajo condiciones de excitación ambiental: tránsito de vehículos y carga por viento. Para cubrir los 364 metros de longitud total de la sección atirantada se efectuaron siete series sucesivas de medición, por lo que en cada serie se instalaron temporalmente 9 acelerómetros: tres en el cuerpo A, tres en el parapeto central y tres acelerómetros en el cuerpo B, los cuales se fijaron al parapeto metálico de la estructura a través de correas ajustables equidistantes longitudinalmente cada 22 metros aproximadamente. La frecuencia de adquisición aplicada para estas mediciones fue de 64 muestras por segundo, con registros sincronizados en las direcciones longitudinal, transversal y vertical de cada acelerómetro, durante 900 segundos continuos por cada serie de medición. Así también, se instalaron acelerómetros en los 56 cables de las cuatro semi-arpas, en grupos de 7, uno en cada tirante, fijados mediante correas ajustables. El análisis de la respuesta en la dirección perpendicular del cable permitió determinar su tensión y mantener un seguimiento periódico (Carrión et al., 2008). El monitoreo se efectuó bajo condiciones de excitación ocasionada por el tránsito de vehículos y viento, que se llevó a cabo mediante ocho series de mediciones, con frecuencia de adquisición de 128 muestras por segundo durante un periodo de 600 segundos continuos.
Figura 5. Instrumentación temporal con acelerómetros, izquierda instalación en los cables y derecha sobre el tablero Fuente: Elaboración propia, 2023.
Con el objetivo de minimizar el riesgo de percance vial durante las mediciones sobre el puente, los trabajos de instrumentación y monitoreo temporal en la estructura se efectuaron bajo estándares de seguridad vial. Para ello, el tránsito de los vehículos fue redirigido por personal de CAPUFE a los carriles de alta velocidad en ambos cuerpos, a través de conos y actividades de bandereo. Etapa 4: Análisis de la información Del procesamiento y análisis de los datos obtenidos por los sensores de fibra óptica instalados en la sección doble voladizo, se realizó lo siguiente: · Cálculo del valor estadístico de la media por carga viva en cada extensómetro. La Figura 6 muestra la respuesta dinámica típica de un extensómetro, así como los histogramas a tensión y compresión por efectos de la carga viva (tránsito vehicular). · Determinación del valor de referencia de deformación unitaria en cada extensómetro (Quintana et al, 2018). · Cálculo del valor de referencia del ángulo en cada inclinómetro. · Ubicación del centroide en dovelas instrumentadas (Carrión et al, 2018). · Definición de límites normales de operación de los parámetros estructurales monitoreados (Martínez et al, 2016).
Figura 6. Izquierda, respuesta dinámica y derecha histogramas de deformación unitaria por carga viva Fuente: Elaboración propia, 2023.
Con respecto a la información de los acelerómetros, se realizaron los siguientes análisis: · Para obtener las frecuencias, amortiguamientos y modos de vibración de la estructura, tanto de la sección doble voladizo como de la sección atirantada se correlacionaron las mediciones mediante la aplicación de técnicas NeXT (James et al, 1995), ERA (Juang & Pappa, 1985) y FDD (Brincker, Zhang & Andersen, 2000) a los registros de aceleración efectuados en el tablero del puente (Anaya et al, 2018). Etapa 5: Actualización del modelo matemático Desde el inicio del estudio en 2018 se prepararon dos modelos independientes del puente “El Carrizo” con el Método de Elementos Finitos (MEF), uno de la sección atirantada y otro de la sección de doble voladizo. En el 2021, ambos se integraron en un único modelo que se calibró mediante los datos obtenidos del análisis modal y la consideración de un Criterio de Aseguramiento Modal (MAC, por sus siglas en inglés), en cada una de las tres primeras frecuencias naturales de vibración con respecto a los datos obtenidos experimentalmente (Martínez et al., 2022). En el año 2022 se actualizó la calibración del modelo con base en los valores de tensión de los tirantes, con diferencias porcentuales menores al 5% respecto a las tensiones obtenidas del último pesaje directo realizado en 2018, siguiendo un proceso iterativo para el ajuste de las tensiones en los cables del modelo matemático (Chen et al., 2000). En 2023, además de utilizar la información modal obtenida del análisis de las señales del monitoreo periódico y los registros del último pesaje directo de las tensiones en los tirantes, se actualizó el modelo matemático con la inclusión de los valores por presfuerzo efectivo que tienen las dovelas de la sección doble voladizo y la consideración de las pérdidas instantáneas y diferidas por presfuerzo, con base en el código AASHTO LRFD y el manual de diseño de estructuras prefabricadas y presforzadas del ANIPPAC (AASHTO, 2020 y ANIPPAC, 2018). El modelo de elementos finitos resultante consta de 10281 nodos; las vigas, piezas puente, pilones, travesaños y tirantes se modelaron con 3532 elementos tipo frame, mientras que en la losa y la torre principal se utilizaron 9463 elementos tipo shell. La representación del modelo se muestra en la Figura 7.
Figura 7. Modelo de elementos finitos del puente “El Carrizo” Fuente: Elaboración propia, 2023.
El modelo actualizado del puente ha permitido generar los límites de ruptura y servicio en las dovelas instrumentadas. También permite contar con un modelo matemático útil para simular escenarios virtuales ante daños en la estructura, requerimientos especiales como accidentes viales y/o sustitución de tirantes, así como para representar otras condiciones estructurales que apoyen en la toma de decisiones acertadas. Estas simulaciones pueden extenderse al análisis estructural para predecir daños futuros en el puente mediante simulaciones de degradación en elementos estructurales críticos. Etapa 6: Evaluación estructural Como última etapa se realizó una comparativa entre los resultados obtenidos del análisis de las mediciones mediante la instrumentación permanente y temporal con los valores de referencia, así como con los límites de operación normal definidos para cada uno de los parámetros estructurales. Al respecto, la Figura 8 ilustra los límites de servicio y ruptura en las dovelas instrumentadas a través de sensores de deformación unitaria en la sección doble voladizo del puente. En donde, se ilustran los valores de deformación unitaria en los puntos de instrumentación (fibra superior/inferior instrumentada), así como en las fibras inferiores y superiores con respecto al eje neutro de cada dovela.
Figura 8. Límites de servicio y ruptura en dovelas instrumentadas Fuente: Elaboración propia, 2023.
En la Figura 9 se comparan las tres primeras formas modales de la sección atirantada de la estructura. En la parte superior se observan los modos de vibración obtenidos experimentalmente, mientras que la inferior se presentan los modos de vibración generados a través de la última actualización del modelo de elementos finitos calibrado.
Figura 9. Formas modales del puente “El Carrizo” Fuente: Elaboración propia, 2023.
En la Tabla 1 se presentan los resultados de las frecuencias naturales y amortiguamiento de los primeros tres modos de vibración vertical, obtenidos experimentalmente en la sección atirantada del puente en 2022 y 2023, así como las frecuencias generadas por el modelo matemático calibrado y las diferencias porcentuales de las últimas mediciones.
Tabla 1. Resultados modales del puente “El Carrizo”
Fuente: Elaboración propia, 2023. La aplicación de estrategias de post-procesamiento a través de PSD (Power Spectral Density) a los registros de aceleración de los 56 tirantes de las cuatro semi-arpas permitieron identificar sus frecuencias naturales y armónicos. A partir de esas frecuencias se obtuvieron los resultados de los pesajes dinámicos indirectos, al correlacionar la frecuencia natural con la carga axial en cada uno de los cables. Los resultados de las tensiones se presentan en la Figura 10 (Martínez et al, 2015). En general, se observa que las tensiones de los tirantes en la estructura se encuentran por debajo del límite máximo de diseño (línea naranja), con excepción de los tirantes no. 14 ubicados en las semi-arpas 2 y 3. Mientras que los valores de tensión en todos los tirantes se encuentran separados de su límite elástico (línea roja).
Figura 10. Resultados de las tensiones en los cables Fuente: Elaboración propia, 2023.
Conclusiones El monitoreo y evaluación periódica de puentes atirantados suministra información importante sobre su desempeño, especialmente posterior a procesos de rehabilitación, cuyo seguimiento y análisis facilita la verificación de cambios en su nivel de servicio. La aplicación de la metodología descrita fue útil para el caso del puente “El Carrizo”, en el que fue fundamental el sistema de instrumentación instalado en la sección doble voladizo y el análisis del comportamiento dinámico (aceleraciones, modos, frecuencias naturales de vibración y amortiguamiento) de la sección atirantada. Con la información registrada al finalizar los trabajos de mantenimiento en 2018, así como la generada en la serie de mediciones posteriores (dos en 2021, tres en 2022 y una en 2023), se observó que la deformación unitaria por carga viva, los valores de referencia de los centroides y las deformaciones unitarias e inclinaciones en las ocho dovelas instrumentadas de la sección doble voladizo del puente “El Carrizo”, se encuentran dentro de límites aceptables de operación normal por carga viva. A través del modelo de elementos finitos calibrado se obtuvieron los límites de servicio y de ruptura a tensión y compresión de las dovelas instrumentadas, que incluyen los efectos térmicos y por carga muerta en la estructura. Los valores de las deformaciones unitarias en las dovelas instrumentadas permanecieron dentro de los límites de servicio y ruptura. En cuanto a la sección atirantada, se estimó la tensión axial de los 56 cables con pesajes dinámicos indirectos, a través del análisis espectral de la respuesta dinámica de los tirantes, obteniendo diferencias porcentuales en el intervalo de -6% a 5%, con respecto a los pesajes indirectos efectuado por el IMT en 2022. Con relación al análisis modal, las frecuencias naturales de los primeros tres modos de vibración permanecen con diferencias porcentuales menores al 3% con respecto a las obtenidas en 2022. Finalmente, se complementó el estudio con la actualización de la calibración del modelo de elementos finitos del puente “El Carrizo”, considerando las pérdidas de fuerza instantáneas y diferidas de presfuerzo en las etapas constructivas y rehabilitación en 2018, de la sección doble voladizo. En donde se obtuvieron valores de presfuerzos efectivos hasta del 60.58% en una etapa constructiva y 72.4 % durante la rehabilitación, con respecto a las fuerzas iniciales de tensado de los cables de presfuerzo. La aplicación de la metodología de monitoreo y análisis al puente “El Carrizo” basada en los registros proporcionados por la instrumentación con sensores de fibra óptica y acelerómetros inalámbricos, así como el uso complementario de un modelo de elementos finitos calibrado, permitió observar que este puente continúa operando dentro de los límites de operación normal por carga viva y dentro de los límites de servicio y límites de ruptura. Así mismo, el comportamiento dinámico de la estructura es el esperado bajo condiciones de tránsito normal, lo que garantiza la seguridad de los usuarios que circulan a través del puente. Por último, la evaluación del comportamiento a través del monitoreo durante tres años consecutivos no ha proporcionado indicios de alguna tendencia en decremento a la capacidad estructural del puente. En este sentido, se recomienda mantener la estrategia de monitoreo periódico en la estructura con mediciones anuales en periodos cortos, de manera que permitan identificar posibles cambios y facilitar la toma de decisiones técnicas en pro de su operación y servicio. Referencias AASHTO. (2020). AASHTO LRFD Bridge Desing Specifications. American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington. D.C. 2020. ANIPPAC. (2018). Manual de diseño de estructuras prefabricadas y presforzadas. México: Asociación Nacional de Industriales del Presfuerzo y la Prefabricación A.C. e Instituto de Ingeniería de la UNAM. 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MARTÍNEZ Luis Álvaro ANAYA Miguel QUINTANA Juan Antonio “Las opiniones expresadas en esta publicación son de los autores y no necesariamente reflejan los puntos de vista del Instituto Mexicano del Transporte.” |
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