Instrumentación de Puentes Instituto Mexicano del Transporte Jefe de la División de Laboratorios de Desempeño Vehicular y de Materiales carrion@imt.mx Francisco J. Carrión V.
INTRODUCCIÓN Instrumentación, Para qué? La Medición La Evaluación
INTRODUCCIÓN Retos y oportunidades para la Infraestructura del futuro Diseños estructurales complejos Mayores dimensiones Nuevos materiales Diseños innovadores Desarrollos en comunicaciones, hardware y software Sensores e instrumentación Actuadores (pasivos, semi-activos y activos) Monitoreo remoto en tiempo real Infraestructura Inteligente
Evaluación de la Condición Estructural Es la medida de: Los parámetros de operación y carga de una estructura. Las respuestas de la estructura ante esas condiciones. Para: Analizar y dar seguimiento a su comportamiento estructural, especialmente ante síntomas anormales de operación, deterioro o daño. Que afectan los índices de servicio, seguridad y confiabilidad.
Evaluación de la Condición Estructural OBJETIVO o Determinar la existencia de daño. o Localizarlo. o Conocer su nivel de severidad. o Determinar la capacidad estructural remanente. o Establecer la vida útil o vida residual de la estructura (prognosis). o Calcular los costos de reparación.
Evaluación de la Condición Estructural REQUISITOS Información objetiva, completa y actualizada (datos iniciales de diseño, planos, modelo de referencia). Conocer los mecanismos de deterioro de estructuras. Contar con métodos y/o procedimientos para detectar daño. Contar con métodos de prognosis y análisis de confiabilidad. Disponer de modelos económicos para analizar las alternativas de inversión de las acciones de conservación.
Evaluación de la Condición Estructural Cómo medir la Condición Estructural?
Evaluación de la Condición Estructural Inspección No Destructiva Superficial Volumétrica Inspección visual Corrientes Eddy Líquidos penetrantes Partículas Magnéticas Ultrasonido Radiografía Emisiones acústicas De integridad o hermeticidad Vibraciones Análisis modal Pruebas de carga
Caso: Inspección por Ultrasonido (a) Diseño del ensamble (b) Ensamble
Caso: Inspección por Ultrasonido Sección del elemento de anclaje superior con alto contenido de poros Imagen de la microestructura del elemento de anclaje superior
Caso: Inspección por Ultrasonido Reflejo de pared posterior de un material con tamaño de grano ASTM 1 y 2 Reflejo de pared posterior de un material con tamaño de grano ASTM 7 y 8
Caso: Inspección por Ultrasonido Haz recto Haz angular a 45 para zona interna Haz angular a 45 para la soldadura
Caso: Inspección por Emisiones Acústicas señal sensor Preamplificador Fuente Deteccion y medicion Electrónica Esfuerzo Esfuerzo Ondas de emision acústica generadas por el esfuerzo aplicado
Caso: Inspección por Emisiones Acústicas Zona III Zona II Zona I
Prueba de Carga Es una prueba estática o cuasi-estática que permite calificar la condición estructural de un puente, a través de la determinación de sus factores de capacidad de carga.
Prueba de Vibraciones. sólo el análisis modal y de vibraciones tienen el potencial para caracterizar en forma global el comportamiento y la condición de una estructura
Análisis Modal Es el estudio de las respuestas dinámicas de una estructura por excitaciones de vibración conocidas para identificar sus frecuencias y modos naturales de vibrar.
Análisis Modal El número de modos y frecuencias que se pueden identificar dependen de: El tipo (sensibilidad), cantidad y ubicación de los sensores. Condiciones de prueba (incertidumbres y ruido ambiental y electrónico). Forma de excitación (controlada o ambiental). Tipo de estructura.
Detección de Daño Técnica Análisis Modal Análisis de propagación de ondas Frecuencias naturales Modos Formas modales Optimización de Modelos Método Inverso por subdominios Método Búsqueda Global
Detección de Daño Nivel 1. Detección de Daño Clasificación Nivel 2. Localización del Daño Nivel 3. Medición del Daño Nivel 4. Evaluación de la severidad del Daño
Prognosis Proviene del prefijo pro-, que es sinónimo de hacia delante, y del sustantivo gnosis, que es equivalente a conocimiento. Por lo tanto, prognosis, se define como el conocimiento anticipado de algo. Sinónimos son pronóstico o predicción. En medicina, por ejemplo, se utiliza para pronosticar el estado de salud de un individuo en función de los análisis clínicos, la patología, condiciones ambientales, hábitos de salud, tratamientos aplicados y todo aquello que pueda afectar su salud en el futuro.
Prognosis Prognosis estructural se puede definir como: El conocimiento anticipado de su capacidad estructural (resistencia), considerando la evolución de su condición interna (deterioro, daño, etc.) y de las solicitaciones o cargas futuras.
Monitoreo de la Integridad Estructural (SHM) CIVIONICA Ingeniería Estructural Instrumentación Electrónica y Comunicaciones Procesamiento de Datos Civiónica: Es la visión de la Ingeniería Civil Moderna, que integra las disciplinas de electrónica, control, mecánica, materiales y comunicaciones.
Monitoreo de la Integridad Estructural (SHM)
Monitoreo de la Integridad Estructural (SHM) Pintura del siglo XIX mostrando la prueba de un puente ferroviario en la India
Monitoreo de la Integridad Estructural (SHM) Retos y oportunidades Costo de los sensores y del sistema de monitoreo Mantenimiento y operación del sistema de monitoreo Justificación del sistema (análisis costo-beneficio) Capacidad para detectar daño (pequeña escala) en estructuras grandes (gran escala) Validación de sistemas (desempeño y confiabilidad) Normalización Transferencia de tecnología para programas de conservación
Índice de confiabilidad Evaluación estructural de puentes Alarmas de monitoreo Pesaje Dinámico CMPEI Detección de Daño El Centro de Monitoreo de Puentes y Estructuras Inteligentes de la SCT CMPEI Proyección Vehicular Estudios de Prognosis Composición del flujo vehicular
Costo-Beneficio de Sistemas para SHM Costo de inversión Diseño e integración del sistema Planeación y administración del proyecto Hardware (sensores, cables, equipos de comunicación y monitoreo, etc.) Instalación y puesta en operación Costo de operación Mantenimiento del sistema Energía y comunicaciones Almacenamiento, manejo y análisis de datos Ingeniería para interpretación Publicación y reportes * D. Inaudi, Cost-Benefit Analysis in SHM Projects, 5 th International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure (SHMII-5), Cancun, Mexico, 2011.
Costo-Beneficio de Sistemas para SHM Beneficios Duros Conservar el valor del activo o de la infraestructura Reducción de riesgos y del daño (costos de seguros) Incremento en seguridad y calidad del transporte Evaluación de la reserva estructural Detección pronta de defectos, problemas y fallas Extensión de la vida útil Beneficios Suaves Conocimiento científico y de ingeniería (know-how) Imagen ante la sociedad Conformidad con normas y el estado del arte
Costo-Beneficio de Sistemas para SHM Consideraciones principales para lograr un análisis óptimo 1. Identificar estructuras que requieren monitoreo 2. Análisis de Riesgo/Incertidumbre/Oportunidad 3. Respuestas asociadas con cada Riesgo/Incertidumbre/Oportunidad 4. Diseño del sistema SHM y selección apropiada de sensores 5. Instalación y Calibración 6. Adquisición de datos y administración del sistema 7. Procesamiento y administración de datos
Muchas Gracias