Monitorización del comportamiento estructural y de la integridad de un puente durante un proceso de rehabilitación complejo.

El puente Hercílio Luz, diseñado en 1922 y abierto al tráfico en 1926, fue el primer enlace por carretera entre la isla de Florianópolis, que forma parte del estado de Santa Catarina, y el Brasil continental. Se encuentra en un entorno marítimo y, durante más de 90 años, ha sido objeto del ataque de una serie de elementos, como la acción corrosiva del mar, el desgaste natural de su estructura y el incremento de la carga y el número de vehículos que lo cruzaban, que llegó a alcanzar valores muy superiores a los de la época en la que fue diseñado.

Por supuesto, se elaboraron y ejecutaron planes de mantenimiento preventivo permanente, gracias a los cuales se ha preservado la estructura original del puente después de casi 90 años. Sin embargo, en 1991 fue necesario clausurarlo por completo, debido a las precarias condiciones en las que se encontraba. Además de cerrarlo al tráfico, se decidió retirar el pavimento de asfalto del vano central con el fin de reducir la carga muerta, lo que rebajó en 400 toneladas el peso soportado por la estructura.

Problema

Desde su inauguración, el puente Hercílio Luz ha sufrido el ataque de diversos enemigos: la acción corrosiva del mar, el desgaste natural de la estructura y, por último, el aumento de la carga y el tráfico de vehículos que lo cruzaban, muy superior al previsto en el diseño de los años veinte del siglo pasado. Pese a ello y gracias a las acciones permanentes de mantenimiento preventivo, el puente ha conservado su estructura original después de 90 años. No obstante, era urgente rehabilitarlo, con la dificultad añadida de preservar sus características originales, como su geometría y los detalles de sus componentes de conexión.

Solución

La empresa Teixeira Duarte recibió el encargo de rehabilitar totalmente el puente Hercílio Luz en un proyecto de casi 3 años de duración. Los trabajos incluyeron la sustitución de los elementos de apoyo de las torres principales; el refuerzo y recuperación de la cimentación; la reparación de la estructura metálica; y la sustitución de las barras de ojo, los asientos y los cables principales, lo cual implicaba operaciones de transferencia de carga. El proyecto también incluía la instalación de nuevos tableros para la circulación de vehículos, peatones y motocicletas. Para este proyecto, la empresa Teixeira Duarte eligió la tecnología de HBM: sensores e interrogadores ópticos con tecnología de red de Bragg en fibra (FBG) para monitorizar la deformación en los puntos críticos de la estructura, y sensores eléctricos para la adquisición de diversas señales, como inclinación, temperatura, viento y corrientes marinas. Además, solicitó servicios de ingeniería para la instalación de los sensores; creación de scripts de software con fines de monitorización, registro de datos y generación de alarmas, y soporte remoto en caso de fallos.

Resultados

La fase más crítica del proyecto, consistente en la transferencia de la carga del vano central del puente a las estructuras auxiliares, se ha completado con éxito. Ahora, se ha abierto la posibilidad de auscultar la estructura del puente de forma continua una vez finalizada la rehabilitación.

Arquitectura del sistema

Para instrumentar la estructura del puente se definió una arquitectura híbrida con sensores ópticos con tecnología de red de Bragg en fibra (FBG) y sensores eléctricos convencionales para adquirir diversas magnitudes. Se diseñó un sistema de monitorización global que medía las deformaciones, la temperatura, la velocidad del viento y las corrientes marinas. En total se instalaron 284 sensores ópticos y tres interrogadores HBM FiberSensing encargados de adquirir los datos. Aprovechando la red de fibra óptica que fue preciso instalar para transmitir las señales de los sensores ópticos, consistente en dos cables multifibra de 24 vías desplegados a lo largo de los 800 m del puente, se integró una comunicación con un sistema PMX de HBM responsable de la lectura de los sensores eléctricos.

En los puntos estratégicos, el cable multifibra se dividió para conectar individualmente cada fibra a los sensores. Todas las conexiones se protegieron con cajetines específicos repartidos por la estructura.

Para facilitar y acelerar el proceso de instalación —un requisito indispensable para la ejecución del proyecto—, los sensores ópticos se suministraron en forma de cadenas de sensores montadas de fábrica. Se utilizaron dos métodos de instalación distintos, dependiendo de los componentes estructurales en los que se montaba cada sensor. Dado que el puente es una estructura metálica, la opción más inmediata era instalar los sensores mediante puntos de soldadura. Eso fue lo que se hizo en el caso de los soportes auxiliares y tirantes centrales, elementos que se mantuvieron en la estructura durante la totalidad del proyecto. En el caso de las barras de ojo —que debían sustituirse— se optó por pegar los sensores con un adhesivo. Las cadenas de medida incorporaban sensores de deformación y de temperatura. Se necesitaba una combinación de ambos para compensar los efectos de la temperatura sobre las mediciones de deformación.

“La fase de mayor complejidad técnica fue el procedimiento de transferencia de carga, que consistía en liberar la tensión de las barras de ojo para sustituirlas de forma secuencial. Para llevar a cabo este procedimiento fue preciso instrumentar varios puntos de la estructura original y de la estructura metálica provisional con sensores de deformación. Igualmente, fue necesario instalar otros sensores eléctricos, como inclinómetros y sensores de parámetros meteorológicos. En total, 312 sensores. HBM presentó la mejor oferta de suministro e instalación, con un uso optimizado de una combinación de tecnologías: óptica para la medición de la deformación y la transmisión de datos al centro de control, y eléctrica para otras mediciones. También aportó una metodología de instalación adaptada al calendario de las obras”. Ricardo Martins, ingeniero de proyecto, Teixeira Duarte

Sistema de adquisición de datos

La totalidad del equipo de adquisición está conectado a la sala de control. Las plataformas óptica y eléctrica se comunican a través de Ethernet mediante switches ópticos, que es lo usual en este tipo de redes.

En lo que respecta al sistema global, se instalaron dos ordenadores: uno dedicado a la monitorización y al registro continuo de datos, 24 horas al día, 7 días a la semana, y otro para el posprocesamiento de los datos registrados. Para la adquisición, registro y análisis de datos se empleó el software catman. Se crearon scripts para la automatización de determinadas tareas, como la generación periódica de informes y las alarmas que se envían al personal de obra y a los ingenieros de soporte remoto. Entre estos últimos se encontraban los ingenieros de HBM, quienes debían acceder al sistema de forma remota siempre que fuera necesario.

Por qué era importante medir la deformación durante la rehabilitación del puente

La rehabilitación del puente Hercílio Luz tuvo algunas fases críticas. Por ejemplo, las transferencias de carga al inicio y al término de las obras. Estas transferencias de carga se producían cuando se accionaban los gatos hidráulicos para elevar el tablero del puente y transferir la carga soportada por las barras de ojo a una estructura provisional inferior, formada por cuatro "torres de apoyo" (TA) construidas expresamente para el proyecto. En una estructura del tamaño de este puente —y con daños importantes—, una transferencia de carga de este tipo puede provocar un fallo estructural en el puente o en la estructura provisional. Por eso, la instrumentación desempeña un papel fundamental. Para garantizar la máxima seguridad durante todo este proceso, se midieron múltiples señales de deformación en la estructura provisional. El objetivo era valorar si la carga se transfería de forma homogénea desde el puente a la estructura provisional, para tener la seguridad de que la carga se liberaba según lo previsto.

Este proceso de transferencia de carga se llevó a cabo por fases. Después de cada paso, los ingenieros del proyecto comparaban los resultados mediante simulaciones numéricas para confirmar que el comportamiento de la estructura se mantenía dentro de los límites previstos.

También se llevaron a cabo mediciones de la inclinación en las torres de la estructura provisional y en el propio puente.

Otro factor importante eran las cargas generadas por el viento y las mareas. Al tratarse de un puente situado en un entorno costero, en un estrecho entre la isla y el continente, los vientos pueden alcanzar velocidades muy altas, con el consiguiente riesgo para los trabajos de restauración. Por este motivo, junto con la lectura de todos los sensores de deformación y temperatura instalados en el puente, se efectuaron mediciones de las corrientes marinas y del viento.


Por qué la tecnología de medición de la deformación óptica

Cuando se utilizan galgas extensométricas eléctricas en grandes estructuras que requieren numerosos sensores, la cantidad de cables eléctricos se vuelve un problema considerable, ya que los cables de instrumentación son costosos y voluminosos. Además, las mediciones con este tipo de sensores en distancias de cientos de metros no son factibles, como consecuencia de la influencia de las interferencias electromagnéticas que afectan a los cables de la instalación. En estos casos, es necesario distribuir los sistemas de adquisición de datos por la estructura, algo que constituye una desventaja como consecuencia del riesgo de daños en los equipos, por no hablar de los problemas de conexión entre estos equipos y el sistema de almacenamiento de datos.

Los sensores de fibra óptica ofrecen enormes ventajas; por ejemplo, unos límites de fatiga muy altos, la posibilidad de multiplexación y la inmunidad a las interferencias electromagnéticas. El catálogo de HBM FiberSensing incluye galgas extensométricas y otros sensores ópticos con tecnología FBG, y es una alternativa perfecta para las aplicaciones de medición y ensayo más exigentes. Puede consultar la gama completa de sensores ópticos de HBM aquí.


“HBM demostró un alto grado de competencia durante la instalación del sistema de monitorización. Además, cumplió los plazos de montaje a pesar de que, durante la mayor parte del proceso, las condiciones meteorológicas fueron adversas. Al término de la instalación, HBM prestó asistencia directa para el sistema durante los primeros meses de su funcionamiento. Durante todo el proceso de transferencia de carga, colaboró a través de un contrato de soporte técnico. El mantenimiento del sistema corre a cargo de técnicos de Teixeira Duarte, que han recibido formación de HBM y se encuentran permanentemente en las instalaciones, junto con el equipo de soporte remoto de HBM. Esta relación de colaboración ha permitido mantener perfectamente operativo el sistema de auscultación”, explica Ricardo Martins.

Teixeira Duarte

La empresa Teixeira Duarte inició sus actividades en 1921 y es en la actualidad el núcleo de uno de los grupos empresariales más importantes de Portugal.

Los valores esenciales de Teixeira Duarte son el ingenio, la verdad y el compromiso, y su misión consiste en: “Contribuir a la construcción de un mundo mejor”.

El Grupo Teixeira Duarte cuenta con aproximadamente 10 500 empleados repartidos en 18 países de cuatro continentes y opera en seis sectores diferenciados: construcción, concesiones y servicios, inmobiliario, hostelería, distribución y automoción.

En la actualidad, Teixeira Duarte se mantiene fiel a la imagen que se ha labrado como empresa de alto valor y pionera en la construcción, con equipos y estructuras interconectados para lograr resultados finales de capacidad reconocida en cuanto a diseño, innovación, construcción y gestión de grandes proyectos e iniciativas.

Desde grandes infraestructuras, como puentes, presas, hospitales, carreteras y otras obras públicas, hasta importantes edificios que han marcado nuestra historia: Teixeira Duarte es sinónimo de excelencia en conocimientos técnicos y de una presencia constante en nuestro día a día.

HBM FiberSensing

HBM FiberSensing, SA pertenece al grupo alemán HBM, líder mundial en el campo de ensayos y mediciones. Es un especialista en el desarrollo y producción de sistemas ópticos basados en tecnología de red de fibra óptica de Bragg (FBG) para aplicaciones de monitorización avanzadas.

Con el respaldo de sus vastos conocimientos en tecnología de fibra óptica, optoelectrónica, electrónica digital e instrumentación, la empresa comercializa un amplio catálogo de sensores ópticos, interrogadores y aplicaciones de software, además de soluciones completas de monitorización.

HBM FiberSensing tiene su sede en Portugal y opera a escala internacional a través de la red global del Grupo HBM, presente en más de 80 países.

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