Análisis del Método de Búsqueda Global para la detección de daño y monitoreo estructural de puentes
Quintana Rodríguez Juan Antonio, Samayoa Ochoa Didier, Carrión Viramontes Francisco Javier, Hernández Guzmán Andrés, Crespo Sánchez Saúl Enrique, López López José Alfredo,
Publicación técnica No.367
Resumen
En este trabajo se desarrolla y aplica a casos reales una técnica de evaluación no destructiva del tipo global, basada en el análisis de ondas de alta frecuencia en intervalos cortos de tiempo, denominada como Método de Búsqueda Global (MBG). El análisis de ondas en intervalos cortos de tiempo, es un método novedoso y práctico en el cual se evalúan las primeras ondas trasmitidas y reflejadas que se registran en sensores colocados en puntos determinados de una estructura, y luego se comparan con sus correspondientes respuestas generadas por un modelo de elemento finito calibrado de la misma estructura. Esta metodología del Método de Búsqueda Global (MBG) se aplicó, en una fase inicial, en estructuras de laboratorio cuyos parámetros son conocidos; posteriormente se utilizó en una estructura real, como es el Puente Río Papaloapan.
El fundamento básico del MBG está en el hecho de que los fenómenos de propagación, dispersión y atenuación de ondas flexionantes en una estructura, dependen fuertemente de las propiedades mismas de la estructura (rigidez, densidad o área) y de las condiciones de frontera e interfases presentes en esta. Por lo tanto, cualquier variación en las propiedades o condiciones de frontera modifican la respuesta de las ondas flexionantes y, en principio, a partir de dicha variación es posible inferir el cambio en las propiedades que ocasionó dicha variación.
La sensibilidad del MBG para detectar daño depende de tres aspectos fundamentales: el experimental, el de simulación y del proceso de análisis. En lo que respecta al experimental, influyen el ruido electrónico de la instrumentación, la configuración y el tipo de los sensores, la forma de excitación, y la sensibilidad de la instrumentación. En cuanto a la simulación, las principales dificultades están en la capacidad del modelo para representar al sistema real; por lo tanto, la calibración, el tipo de modelo matemático, la representación de las condiciones de frontera, la interacción entre materiales y la representación de materiales compuestos, son los principales factores que afectan al resultado. Finalmente, sobre el proceso de análisis, la resolución de las variables de búsqueda y la eficiencia del algoritmo de optimización son los elementos principales que deben tomarse en cuenta para buscar una mayor efectividad del método.
El puente Río Papaloapan es del tipo atirantado con una longitud total de 407,2 m, el puente tiene ocho arpas cada una con 14 tirantes. A partir de estudios desarrollados en los pasados años, se determinó rehabilitar 20 de los elementos de anclaje superior. Para validar la metodología del MBG se realizó una prueba de detección de daño durante los trabajos de mantenimiento del puente, donde la prueba consistió en la identificación del daño por la pérdida de un tirante, lo cual se simuló cuando uno de estos fue distensado para sustituir el elemento de anclaje superior. Para esta prueba, se realizaron dos mediciones dinámicas, la primera antes del distensado de uno de los tirantes para la calibración del modelo a la condición “sin daño”, y la segunda estando distensado el tirante para la condición dañada. Los resultados mostraron que los sensores cercanos al lugar donde se rehabilitó el elemento de anclaje superior pueden identificar el tirante que fue distensado, mientras que los sensores alejados más de 65 m. no pueden detectarlo debido a la rápida dispersión de la señal. Lo anterior concluye que el MBG puede ser utilizado como un método de evaluación no destructiva para la detección de
daño en un sistema de administración de puentes.
Adicionalmente, usando el Modelo Calibrado del Puente Río Papaloapan y con la arquitectura de la simulación de escenarios de daño del MBG, se generaron las distribuciones estadísticas de las tensiones de los 112 tirantes del Puente mediante un programa de simulación MonteCarlo, en el cual se consideraran las distribuciones estadísticas del flujo vehicular actual y proyectado, carga transportada y viento para representar las entradas y generar escenarios de carga viva sobre el puente Río Papaloapan.