Casos de estudio

La monitorización estructural de puentes no puede limitarse únicamente al control de la estructura. Cuando la obra atraviesa un curso de agua y las cimentaciones están sometidas a la interacción con el terreno y con la dinámica fluvial, es importante considerar simultáneamente el comportamiento del subsuelo, las cimentaciones, las pilas y el tablero, además de las condiciones ambientales e hidráulicas que pueden influir en su respuesta.

En este caso de estudio se presenta un sistema integrado de monitorización geotécnica y estructural de un puente, con adquisición automática de datos y centralización de la información en la plataforma METRA.

El objetivo es obtener una visión global del comportamiento de la obra, relacionando los movimientos profundos del terreno con los desplazamientos y las deformaciones estructurales, así como con las variaciones de las condiciones meteorológicas e hidráulicas.

Monitorización geotécnica de las cimentaciones

Una primera parte del sistema está dedicada a la monitorización de las cimentaciones y al control de los movimientos profundos del terreno en las proximidades de las cimentaciones del puente.

En perforaciones verticales se instalan cadenas de inclinómetros fijos de sondeo, formadas por sensores digitales situados a diferentes profundidades. La distribución de los instrumentos a lo largo de la vertical se define en función de las características geotécnicas del lugar y de las zonas en las que resulta más significativo controlar la evolución de los desplazamientos.

En comparación con las campañas inclinométricas manuales tradicionales, el uso de inclinómetros fijos permite adquirir automáticamente las mediciones y seguir su evolución a lo largo del tiempo, haciendo posible identificar variaciones concentradas a determinadas profundidades.

Los sensores se conectan mediante bus digital a las unidades de adquisición instaladas en superficie, permitiendo gestionar numerosos puntos de medida con un cableado limitado.

En los nuevos sondeos inclinométricos también puede preverse la instalación simultánea de elementos para mediciones extensométricas profundas. La combinación de mediciones inclinométricas y extensométricas permite obtener información complementaria sobre los desplazamientos horizontales y las deformaciones verticales del terreno que afectan a las cimentaciones.

Monitorización estructural del puente

El sistema geotécnico se integra con una red de sensores para monitorización estructural instalados directamente sobre las estructuras del puente.

Inclinómetros y clinómetros de alta resolución pueden instalarse en las pilas del puente y en los principales elementos estructurales para controlar a lo largo del tiempo posibles variaciones de inclinación y rotación.

En las fisuras consideradas significativas se instalan fisurómetros eléctricos que permiten medir automáticamente las variaciones de apertura. La monitorización continua de fisuras permite distinguir fenómenos estables o cíclicos de posibles evoluciones progresivas.

Para controlar los desplazamientos relativos entre elementos estructurales también pueden utilizarse transductores de desplazamiento de hilo, especialmente útiles cuando se prevén recorridos mayores que los normalmente medibles mediante un fisurómetro.

Medición de deformaciones y cargas

En los elementos estructurales más significativos pueden instalarse strain gauges para la medición de deformaciones estructurales locales.

Las mediciones de deformación permiten seguir a lo largo del tiempo la respuesta de los elementos estructurales a las variaciones de carga y a las condiciones ambientales. Para interpretar correctamente los datos, los strain gauges se complementan con sensores de temperatura, de modo que las deformaciones medidas puedan compararse con las variaciones térmicas de la estructura.

La temperatura representa uno de los parámetros fundamentales en la monitorización a largo plazo de puentes y viaductos, ya que las variaciones térmicas diarias y estacionales pueden provocar cambios significativos en las deformaciones y desplazamientos.

En puntos seleccionados también pueden instalarse celdas de carga para controlar directamente la evolución de las fuerzas transmitidas a través de determinados elementos estructurales o sistemas de apoyo.

Monitorización de la socavación de las pilas

En los puentes cuyas cimentaciones están directamente afectadas por la corriente, un parámetro especialmente importante es la erosión local del fondo alrededor de las pilas.

Durante los eventos de crecida, el aumento de la velocidad de la corriente puede retirar el material situado alrededor de la cimentación y provocar una socavación de las pilas incluso significativa.

Para la monitorización de la socavación puede utilizarse un sistema magnético pasivo capaz de conservar una memoria física de la máxima profundidad de erosión alcanzada durante el evento.

El dispositivo está formado por un tubo guía vertical instalado cerca de la pila y por un collar magnético deslizante, inicialmente situado a la cota del fondo. Durante la crecida, la erosión del material provoca el descenso progresivo del collar a lo largo del tubo.

Cuando posteriormente el material vuelve a depositarse, el collar permanece en la máxima profundidad alcanzada. Después del evento, su posición puede detectarse mediante una sonda magnetométrica conectada a un cable graduado, permitiendo determinar la máxima socavación producida.

El sistema es completamente pasivo y no requiere alimentación eléctrica ni conexión a un data logger.

Monitorización del nivel del curso de agua

El sistema incluye también una estación para la medición continua del nivel hidrométrico del curso de agua.

La monitorización del nivel del río permite identificar y caracterizar los eventos de crecida y relacionar las condiciones hidráulicas con las variaciones registradas por la instrumentación geotécnica y estructural.

La evolución del nivel hidrométrico constituye además una referencia importante para programar las verificaciones de los sistemas pasivos de control de la socavación después de los eventos más significativos.

Monitorización meteorológica

El conjunto de las condiciones ambientales se completa mediante una estación meteorológica automática.

La estación permite registrar precipitaciones, temperatura y humedad del aire, presión atmosférica, velocidad y dirección del viento.

La comparación entre precipitaciones, nivel hidrométrico y respuesta de la instrumentación permite reconstruir la evolución de los eventos más significativos y comprobar posibles correlaciones entre las condiciones ambientales y el comportamiento de la obra.

Adquisición y transmisión de datos

La instrumentación automática se conecta a data loggers distribuidos instalados cerca de los diferentes grupos de medida.

Las unidades de adquisición gestionan la lectura de los sensores, el almacenamiento local de las mediciones y la transmisión remota de datos.

En los puntos donde no se dispone de red eléctrica, las estaciones pueden alimentarse mediante baterías y paneles fotovoltaicos, permitiendo realizar sistemas autónomos incluso en zonas de difícil acceso.

Plataforma METRA para la gestión de datos

Los datos procedentes de las diferentes estaciones se centralizan en la plataforma cloud METRA, que constituye el punto de acceso único al sistema de monitorización.

METRA permite archivar las mediciones recopiladas y visualizar su evolución mediante gráficos temporales y representaciones organizadas por lugar, posición y tipo de sensor.

Uno de los aspectos más interesantes de un sistema integrado de monitorización es la posibilidad de comparar en el mismo intervalo temporal magnitudes de diferente naturaleza.

Las precipitaciones pueden relacionarse con el nivel del curso de agua y con los movimientos profundos detectados por los inclinómetros. Estos pueden compararse a su vez con las rotaciones de las pilas, la apertura de las fisuras y los desplazamientos medidos en la estructura.

Del mismo modo, la temperatura, las deformaciones medidas mediante strain gauges y los desplazamientos pueden analizarse conjuntamente para reconocer el comportamiento cíclico de la estructura asociado a las variaciones térmicas e identificar cambios que requieran un análisis más detallado.

La plataforma también permite asociar a los parámetros monitorizados umbrales de atención, alerta y alarma. La superación de estos umbrales puede generar avisos automáticos, permitiendo a los técnicos centrar rápidamente la atención en las variaciones más significativas.

Un sistema integrado para la monitorización de puentes

El valor de un sistema de monitorización estructural y geotécnica de puentes no depende simplemente del número de sensores instalados, sino de la posibilidad de relacionar información procedente de fenómenos diferentes.

Una variación del nivel del curso de agua puede compararse con posibles movimientos profundos del terreno, que a su vez pueden relacionarse con las rotaciones de las pilas y con los desplazamientos o deformaciones estructurales registrados en la estructura.

La monitorización de la socavación de las pilas añade además una información especialmente importante, ya que permite conservar evidencia de la máxima erosión producida durante una crecida incluso cuando la posterior deposición de sedimentos dificulta reconocer el fenómeno mediante una inspección realizada posteriormente.

La integración entre monitorización geotécnica, monitorización estructural, control hidráulico y monitorización meteorológica, junto con la centralización de los datos en la plataforma METRA, permite pasar de la adquisición de parámetros individuales a una interpretación global del comportamiento de la obra a lo largo del tiempo.