Monitoreo de puentes: IoT para monitoreo de infraestructuras

El monitoreo de puentes es una acción preventiva indispensable para la seguridad de las infraestructuras y sus usuarios.

Actualmente, existen nuevas tecnologías que facilitan y mejoran el monitoreo de infraestructuras, como:

• sensores,
• herramientas digitales,
• inteligencia artificial
• y sistemas IoT.

En este artículo, exploraremos el papel de un Software de Gestión de Puentes en la gestión del patrimonio de infraestructuras. En este caso, prestaremos especial atención al monitoreo de la salud de los puentes y las tecnologías utilizadas.

Monitoreo de puentes con una plataforma BIM IoT

¿Qué es el monitoreo de puentes?

El monitoreo de la salud del puente (bridge health monitoring), es un proceso que implica la observación y recopilación de datos sobre las condiciones estructurales y funcionales de un puente. A través de sistemas de monitoreo adecuados, se pueden identificar posibles anomalías o degradación de los materiales. Esto garantiza la seguridad, eficiencia y durabilidad de la obra con el tiempo.

¿Cómo evaluar la seguridad de los puentes existentes?

La evaluación de la seguridad de los puentes existentes se basa en varios parámetros, incluyendo:

• edad;
• material;
• tipo de estructura;
• carga;
• exposición a agentes atmosféricos.

Las metodologías de evaluación incluyen:

• análisis visual;
• inspección mediante drones;
• uso de sensores y sistemas de monitoreo;
• cálculo de la capacidad de carga a través de modelos matemáticos y software especializados.

Inspección y monitoreo de puentes para la evaluación de la seguridad

El monitoreo de la salud de los puentes y las investigaciones de inspección son dos enfoques complementarios para evaluar la seguridad de los puentes. Por una parte, el monitoreo implica la recolección de datos en tiempo real a través de sensores y sistemas de monitoreo. Esto permite una evaluación continua de las condiciones estructurales. Por otro lado, las investigaciones de inspección, implican un análisis visual o el uso de tecnologías específicas en momentos programados.

Sin embargo, estas inspecciones visuales y la compilación de fichas de defectos de los puentes son procesos fundamentales para garantizar la seguridad y el mantenimiento adecuado de las infraestructuras. De hecho, durante estas inspecciones, técnicos e ingenieros:

• examinan las condiciones de los puentes,
• identifican posibles problemas estructurales o daños
• y documentan los resultados para planificar posibles intervenciones de reparación o mantenimiento.

Principales fases para la inspección visual

A continuación, se describen algunas de las principales fases para la inspección visual y la compilación de fichas de defectos de los puentes.

1. planificación y preparación: antes de proceder con la inspección, es importante planificar y preparar adecuadamente la actividad. Esto incluye la revisión de la información histórica sobre el puente, la identificación de áreas críticas a examinar y la recopilación de las herramientas y equipos necesarios;
2. inspección preliminar: la inspección comienza con un análisis visual general del puente para identificar posibles signos evidentes de daños o degradación. Esto puede incluir grietas, corrosión, erosión, distorsiones u otras anomalías estructurales;
3. inspección detallada: una vez identificadas las áreas de interés, los inspectores proceden con un examen más detallado. Esto puede incluir el uso de herramientas de diagnóstico específicas, como martillos de pruebas, endoscopios o medidores de espesor por ultrasonido, para evaluar de manera más precisa la extensión y gravedad de los defectos detectados;
4. documentación: durante la inspección, los técnicos completan las fichas de defectos. Aquí registran todos los detalles relevantes, incluida la ubicación de los defectos, su extensión y gravedad, y cualquier recomendación para la reparación o mantenimiento. Estas fichas pueden utilizarse posteriormente para determinar las prioridades de las intervenciones y monitorear los progresos con el tiempo;
5. análisis de datos e informe final: una vez completadas las inspecciones y la compilación de las fichas de defectos, los ingenieros analizan los datos recopilados y redactan un informe final que sintetiza los resultados. Este informe puede utilizarse para informar las decisiones relacionadas con el mantenimiento, la reparación o la mejora de las infraestructuras;
6. monitoreo y mantenimiento: finalmente, es importante continuar monitoreando y manteniendo los puentes con el tiempo, realizando inspecciones periódicas e implementando las recomendaciones derivadas de los informes de inspección. Esto ayudará a garantizar la seguridad y durabilidad de las infraestructuras a largo plazo.

Beneficios del monitoreo de puentes

Los beneficios del monitoreo de puentes incluyen la capacidad de detectar anomalías o degradación de manera oportuna, reduciendo los riesgos y costes de mantenimiento. Sin embargo, la instalación y gestión de sistemas de monitoreo requieren recursos y habilidades específicas. Por otro lado, las investigaciones de inspección pueden ser más económicas y menos complejas, pero ofrecen una visión menos detallada y continua de las condiciones del puente.

La integración de ambas metodologías permite obtener una visión completa y precisa de las condiciones del puente y planificar intervenciones de mantenimiento más efectivas.

Clase de atención de puentes: ¿qué es y cómo se utiliza?

La clase de atención de puentes es una clasificación que tiene en cuenta varios factores:

• la importancia estratégica de la infraestructura;
• el tráfico y la afluencia;
• la edad;
• el grado de vulnerabilidad.

Esta clasificación permite establecer prioridades de mantenimiento y monitoreo, asignando recursos adecuados según las necesidades específicas de cada puente.

Las clases de atención de un puente son una categorización que considera las diferentes necesidades y prioridades de inspección y mantenimiento de un puente para garantizar su seguridad y durabilidad. No existe una clasificación estándar universal, pero es posible identificar algunas clases de atención comunes entre varios países y normativas. A continuación, se enumeran cuatro clases de atención típicas, con una breve descripción y las acciones a tomar para cada una de ellas:

Clase de atención A (alta prioridad)

Se refiere a puentes que presentan problemas estructurales graves, como daños en pilares, vigas o juntas, que pueden comprometer la seguridad del puente y requieren una acción inmediata. Para esta clase de atención, es necesario realizar inspecciones urgentes, evaluaciones estructurales e intervenciones de reparación o refuerzo.

Qué hacer:

• realizar inspecciones inmediatas y frecuentes para monitorear la situación;
• evaluar la capacidad de carga del puente y las posibles repercusiones en la seguridad de los usuarios.
• planificar y llevar a cabo intervenciones de reparación o refuerzo en el menor tiempo posible.

Clase de atención B (prioridad media)

Incluye puentes con problemas estructurales menores, como corrosión, grietas o erosión, que no comprometen la seguridad del puente a corto plazo, pero requieren intervenciones de mantenimiento para prevenir un empeoramiento de las condiciones.

Qué hacer:

• realizar inspecciones regulares para monitorear la evolución de los daños;
• evaluar las opciones de mantenimiento o reparación para mitigar el problema;
• programar intervenciones de mantenimiento o reparación a medio plazo.

Clase de atención C (baja prioridad)

Se refiere a puentes en buenas condiciones estructurales, que sólo requieren mantenimiento ordinario e inspecciones periódicas para garantizar la durabilidad y seguridad a largo plazo.

Qué hacer:

• realizar inspecciones periódicas para verificar las condiciones del puente e identificar posibles signos de degradación;
• realizar intervenciones de mantenimiento ordinario, como limpieza, lubricación de juntas y reemplazo de elementos no estructurales desgastados.

Clase de atención D (monitoreo)

Incluye puentes para los cuales no se han encontrado problemas estructurales relevantes, pero que, debido a su edad, tráfico intenso u otras circunstancias, requieren un monitoreo continuo para prevenir posibles problemas futuros.

Qué hacer:

• instalar sistemas de monitoreo estructural para detectar tempranamente signos de degradación o sobrecargas;
• realizar inspecciones periódicas para verificar las condiciones del puente y monitorear la evolución de los parámetros estructurales.
• evaluar el impacto del tráfico y del entorno circundante en el puente e implementar medidas preventivas, como restricciones de peso o cambios en la vialidad para reducir la carga en el puente;
• mantener actualizada la documentación relacionada con el puente, incluidas las inspecciones, evaluaciones estructurales y acciones de mantenimiento, para garantizar una adecuada gestión del patrimonio infraestructural.

Para todas las clases de atención, es importante seguir las pautas y normativas locales o nacionales relacionadas con el diseño, inspección y mantenimiento de puentes. Además, es fundamental colaborar con ingenieros y profesionales expertos en el sector de infraestructuras para garantizar que las acciones emprendidas sean apropiadas y efectivas para asegurar la seguridad y durabilidad de los puentes.

Ejemplo de monitoreo de puentes: IoT y BIM. Caso de estudio del viaducto Canalone

Un ejemplo de sistema de monitoreo de un puente basado en tecnologías IoT y BIM implica el uso de sensores conectados a una red de comunicación para recopilar datos sobre las condiciones estructurales, como:

• deformaciones,
• vibraciones,
• temperatura
• y corrosión.

Luego, estos datos se integran en el modelo BIM (Building Information Modeling) del puente. Esto permite visualizar y analizar la información en tiempo real y apoyar la gestión y mantenimiento de la infraestructura.

Premisa

El caso de estudio propuesto, se refiere al monitoreo del viaducto Canalone con sistemas innovadores. El proyecto de investigación es el resultado de la colaboración de seis universidades italianas, incluido el departamento de estructuras para la ingeniería y la arquitectura de la Universidad Federico II de Nápoles.

Monitoreo de puentes | Caso estudio del viaducto de Canalone

Entonces, se trata de un viaducto de hormigón armado, ubicado en la autopista Nápoles-Salerno, con una tipología estructural de arco superior. Además, cuenta con una luz de 120 m y 11 tramos.

Paso 1: creación del modelo BIM – IoT

En primer lugar, se ha creado un modelo BIM 3D de la infraestructura, necesario para gestionar los datos provenientes de sensores innovadores instalados en el propio viaducto.

Los sensores instalados son:

• 48 sensores de presión (el primer grupo instalado en pares, en los pilares del puente, a 75 cm desde el intradós de la viga del tablero para analizar la carga móvil, el segundo grupo instalado en el arco del puente con el objetivo de verificar el estado de tensión y la descarga total del tablero sujeto a la carga del tráfico);
• 6 acelerómetros tridimensionales instalados en las dos vigas de borde, para analizar las propiedades dinámicas de la estructura y monitorear su evolución en el tiempo;
• 3 termopares.

El sistema se completa con:

• 8 nodos para la gestión de los datos de los sensores de presión;
• 2 nodos para acelerómetros;
• 1 router 4G y sistema de conexión por fibra.

Paso 2: procesamiento de datos

Para el procesamiento de los datos, fue necesario hacer referencia a un dominio de valores estándar. De hecho, esto es útil para determinar si los desplazamientos son debidos a factores aleatorios o a problemas derivados del paso de vehículos pesados. Después de recopilar, analizar y procesar los datos, es necesario visualizarlos con la ayuda de plataformas de interoperabilidad.

Una plataforma de interoperabilidad, además de proporcionar acceso y trazabilidad, debe permitir el almacenamiento de los datos relacionados con la obra, permitir el monitoreo en tiempo real y proporcionar alertas e informes.

Con usBIM.IoT, es posible integrar modelos BIM y sistemas IoT. De hecho, es posible cargar el modelo BIM 3D dentro de la plataforma, completo con los sensores aplicados a la infraestructura real. Luego, a los sensores se les asigna un color y un rango de valores de referencia. Finalmente, cuando llegan los datos recopilados por los sensores, el modelo 3D se actualiza en tiempo real, mostrando los resultados obtenidos por los sensores en el sitio. Sin embargo, la verificación también se realiza visualmente con la ayuda de los colores asociados a las diferentes tipologías de sensores.

Sistema de monitoreo de puentes

Un sistema de monitoreo de puentes es un conjunto de herramientas y tecnologías utilizadas para evaluar y mantener las condiciones estructurales de los puentes a lo largo del tiempo. Permite detectar posibles problemas o daños estructurales, proporcionando información útil para el mantenimiento y la gestión de los puentes. De todos modos, un sistema de monitoreo de puentes completo y profesional, está compuesto por los siguientes componentes principales:

1. sensores – los sensores son dispositivos que detectan y miden varios parámetros estructurales y ambientales del puente, de los cuales se hablará más detalladamente en los siguientes párrafos dedicados al IoT;
2. sistema de adquisición de datos (DAS) – el DAS es el componente que recopila y almacena los datos provenientes de los sensores. Está compuesto por unidades de adquisición de datos, que convierten la señal analógica en digital y almacenan los datos para su posterior procesamiento;
3. sistema de comunicación – este sistema permite la transmisión de datos entre los sensores, el DAS y el centro de control. Puede utilizar diferentes tecnologías, como cables, redes inalámbricas o fibra óptica, según las necesidades específicas del proyecto;
4. centro de control y monitoreo – esta es la estación donde los operadores e ingenieros analizan los datos recopilados por el sistema de monitoreo. El centro de control está equipado con software y hardware dedicados al procesamiento y visualización de los datos, permitiendo una fácil interpretación de la información recopilada;
5. software de análisis y diagnóstico – estos programas se utilizan para procesar y analizar los datos recopilados, con el fin de identificar posibles anomalías o tendencias que puedan indicar problemas estructurales. El software puede incluir algoritmos de aprendizaje automático, modelos numéricos y técnicas de análisis estadístico para mejorar la fiabilidad y precisión de los diagnósticos;
6. sistema de alarma y notificación – en caso de detectar condiciones críticas o potencialmente peligrosas, el sistema de monitoreo puede generar automáticamente alarmas y notificaciones para alertar a los operadores e ingenieros responsables. Esto permite una intervención oportuna para prevenir daños mayores o situaciones de peligro.

En resumen, un sistema de monitoreo de puentes profesional y detallado está compuesto por una serie de sensores, un sistema de adquisición de datos, un sistema de comunicación, un centro de control y monitoreo, software de análisis y diagnóstico, y un sistema de alarma y notificación.

Tipos de puentes, patologías más comunes y tipos correspondientes de monitoreo

Las principales tipologías de puentes incluyen puentes de arco, de vigas, de ménsula, colgantes y atirantados. Cada tipo de puente puede presentar patologías específicas, como corrosión, fisuras, hundimientos o deformaciones. El monitoreo adecuado varía según la tipología y las patologías presentes, y puede incluir métodos como el monitoreo de deformaciones, vibraciones, temperatura o corrosión.

Los tipos de monitoreo de puentes, se pueden dividir en:

• estático;
• dinámico;
• ambiental.

Visualización de la información de la infraestructura

Monitoreo estático de puentes

El monitoreo estático de puentes es una metodología especializada en la detección de deformaciones y cargas permanentes que afectan la estructura con el tiempo. De hecho, este enfoque se centra en el análisis de parámetros específicos, como:

• desplazamientos,
• inclinaciones,
• tensiones
• y la expansión o contracción de posibles lesiones presentes en el puente.

Entre las herramientas fundamentales utilizadas para el monitoreo estático se encuentran:

1. Sensores de desplazamiento e inclinación: Estos dispositivos son extremadamente sensibles y pueden medir variaciones del orden del centésimo de milímetro. Además, son cruciales para detectar incluso los movimientos más pequeños que podrían indicar cambios en la estructura.
2. Extensómetros: Colocados en correspondencia con las lesiones, estos sensores monitorean la evolución de las grietas, proporcionando datos sobre la magnitud y la progresión de los movimientos. Esto es esencial para comprender la gravedad y la evolución de los daños con el tiempo.

Luego, los datos recopilados por los sensores son procesados y analizados para obtener una imagen detallada del estado de salud de la estructura. Esto permite identificar tempranamente posibles problemas estructurales e intervenir antes de que puedan comprometer la seguridad del puente.

Integración del monitoreo estático

Además del monitoreo a través de sensores, el monitoreo estático se integra frecuentemente con análisis experimentales periódicos sobre los materiales utilizados en la construcción del puente. Estos análisis pueden incluir pruebas de laboratorio en muestras extraídas de la estructura. Esto tiene como objetivo evaluar las propiedades mecánicas y químicas de los materiales y verificar posibles deterioros.

El monitoreo estático representa un componente esencial de un sistema de monitoreo estructural integrado. Este sistema también debería incluir el monitoreo dinámico, que analiza las respuestas de la estructura a cargas dinámicas, y el monitoreo geoambiental, que evalúa las condiciones ambientales circundantes y su impacto en la estructura.

Junto con un mantenimiento constante y planificado, el monitoreo estático permite adoptar una estrategia de mantenimiento preventivo basada en el estado real de la estructura. Este enfoque proactivo, ayuda a prolongar la vida útil del puente. Además, garantiza al mismo tiempo su seguridad y eficiencia operativa.

Monitoreo dinámico de puentes

Por otro lado, el monitoreo dinámico de puentes es una metodología avanzada para evaluar la condición estructural con el tiempo. Este método se basa en el análisis de las respuestas dinámicas del puente. Estos incluyen, en relación con las diversas cargas de tráfico que el puente debe soportar (tráfico, viento y eventos sísmicos):

• las frecuencias naturales,
• los modos de vibración,
• y los coeficientes de amortiguación.

Sin embargo, para implementar el monitoreo dinámico, se instalan varios sensores directamente en el puente, como acelerómetros, extensómetros y dispositivos de detección de temperatura. Estos sensores registran en tiempo real los datos sobre la respuesta estructural del puente, que luego se procesan para identificar posibles variaciones o daños en la estructura. De todos modos, este enfoque permite a los ingenieros intervenir tempranamente para garantizar la seguridad y la integridad del puente con el tiempo.

A diferencia del monitoreo estático, que se centra principalmente en fisuras y deformaciones, el monitoreo dinámico ofrece una evaluación más profunda del estado de salud del puente. Además, se identifican también cambios en el comportamiento dinámico que podrían señalar posibles problemas estructurales emergentes.

Finalmente, este tipo de enfoque resulta particularmente crucial para puentes que han envejecido naturalmente o están sujetos a cargas elevadas de tráfico. De hecho, permite detectar tempranamente problemas y planificar intervenciones de mantenimiento específicas. Esto ayuda a prevenir posibles accidentes catastróficos y a prolongar la vida útil del puente en beneficio de la seguridad pública.

Monitoreo ambiental de puentes

El monitoreo ambiental de puentes es un elemento fundamental de un sistema de monitoreo estructural integrado. Este enfoque se centra en la detección de parámetros ambientales que pueden afectar la durabilidad y la seguridad de la estructura.

Principales factores del monitoreo ambiental

Entre los principales factores monitoreados, se encuentran:

• Temperatura: Las variaciones de temperatura provocan dilataciones y contracciones en los materiales del puente, influyendo en su estabilidad. Un control preciso de las temperaturas permite prever y mitigar los efectos térmicos en la estructura.
• Humedad: Niveles elevados de humedad pueden acelerar los procesos de corrosión, especialmente en puentes de acero. Monitorear la humedad es esencial para prevenir el deterioro de los materiales.
• Viento: Las solicitaciones dinámicas causadas por el viento pueden inducir vibraciones y fatiga estructural. La detección de la velocidad y dirección del viento ayuda a comprender y mitigar estos efectos.
• Precipitaciones: Lluvia, nieve y hielo pueden comprometer la estructura y sus componentes. El monitoreo de las precipitaciones permite gestionar eficazmente la acumulación de agua y la formación de hielo.
• Corrosión: Factores ambientales como la contaminación y la salinidad aceleran los procesos corrosivos. Sensores específicos para la corrosión ayudan a identificar áreas críticas y planificar intervenciones de mantenimiento.

Análisis de datos

Los datos recopilados por los sensores ambientales instalados en el puente se integran y analizan junto con los datos provenientes del monitoreo estático y dinámico. Esta sinergia de información proporciona una visión completa y detallada del estado de salud de la estructura, permitiendo identificar tempranamente posibles problemas causados por factores ambientales.

El monitoreo ambiental resulta esencial para garantizar la seguridad y durabilidad de los puentes, especialmente en condiciones climáticas adversas o en entornos particularmente agresivos. Cuando se combina con el monitoreo estático y dinámico, el monitoreo ambiental representa un enfoque integrado y proactivo para la gestión de infraestructuras. Este método avanzado permite adoptar estrategias de mantenimiento preventivo, mejorando la seguridad y prolongando la vida útil de los puentes.

Diseño e instalación de un sistema de monitoreo

El diseño y la instalación de un sistema de monitoreo de puentes requiere un análisis cuidadoso de las necesidades específicas de la infraestructura, la selección de los dispositivos y métodos de monitoreo más adecuados y la definición de una red de comunicación para la transmisión de datos.

Además, es importante prever procedimientos para el mantenimiento y la calibración de los dispositivos, así como la formación del personal implicado en la gestión del sistema.

¿Qué es IoT y cómo puede utilizarse para el monitoreo de puentes?

El Internet of Thing (IoT) es un conjunto de dispositivos interconectados que se comunican entre sí a través de internet. Estos dispositivos pueden incluir sensores, actuadores y sistemas de procesamiento de datos. El IoT puede utilizarse para monitorear diferentes parámetros de los puentes, como:

• vibraciones,
• deformaciones,
• temperatura
• y tráfico

Por lo tanto, esto permite un monitoreo en tiempo real y un mantenimiento más eficiente.

Actualmente, también es posible utilizar plataformas BIM IoT para gestionar los dispositivos IoT directamente desde el modelo BIM. En la práctica, los datos recopilados por los sensores se envían a la aplicación que los adquiere y los muestra en tiempo real en el modelo 3D BIM en formato IFC.

El enriquecimiento del modelo BIM con la información, proveniente del ecosistema IoT, facilita la gestión incluso de grandes ecosistemas IoT.

IoT para el monitoreo de la salud de los puentes

Tecnologías IoT para el monitoreo de puentes

Sensores de vibración y deformación

Los sensores de vibración y deformación son dispositivos IoT que detectan las variaciones estructurales de los puentes, proporcionando información valiosa sobre su integridad. Estos sensores pueden identificar anomalías y alertar sobre posibles problemas antes de que se agraven, permitiendo intervenciones oportunas.

Sensores de temperatura y humedad

Las variaciones de temperatura y humedad pueden afectar la durabilidad de los materiales utilizados en los puentes. Los sensores IoT que monitorean estos parámetros permiten detectar problemas como la corrosión y el desgaste de los materiales, facilitando la planificación del mantenimiento preventivo.

Sensores para el monitoreo del tráfico

Los sensores de tráfico IoT pueden detectar el flujo de vehículos y su peso, proporcionando datos útiles para gestionar el tráfico y evaluar el impacto del mismo en las infraestructuras. Además, estos datos pueden utilizarse para implementar medidas destinadas a reducir la carga en los puentes, mejorando su durabilidad.

Sistemas de análisis y alerta para la gestión de datos

Los datos recopilados por los sensores IoT deben analizarse y gestionarse para extraer información útil. Los sistemas de análisis y alerta pueden procesar los datos en tiempo real y generar notificaciones en caso de anomalías o situaciones potencialmente peligrosas, permitiendo una intervención rápida y específica.

Ventajas del monitoreo de puentes con IoT

Prevención y reducción de riesgos

El uso de IoT en el monitoreo de puentes permite una mayor prevención de riesgos y una mejor gestión de emergencias. Gracias a los datos recopilados en tiempo real, es posible identificar y resolver problemas antes de que se vuelvan críticos, garantizando un nivel de seguridad más alto.

Eficiencia en el mantenimiento

El monitoreo en tiempo real de los puentes a través de IoT permite optimizar los procesos de mantenimiento, interviniendo solo cuando y donde sea necesario. Esto reduce los tiempos de intervención y minimiza las molestias en el tráfico.

Reducción de costes

La implementación de IoT en el monitoreo de la salud de los puentes puede llevar a una reducción de los costes de mantenimiento. Todo esto gracias a la posibilidad de identificar y resolver problemas de manera oportuna, evitando intervenciones más costosas y laboriosas en un momento posterior.

Los desafíos en la implementación de IoT

A pesar de los numerosos beneficios, la adopción de IoT en el monitoreo de puentes conlleva desafíos importantes, como:

• la seguridad informática,
• la privacidad de los datos,
• y la necesidad de inversiones iniciales para la instalación e integración de dispositivos.

Sin embargo, considerando los beneficios a largo plazo en términos de seguridad, eficiencia y reducción de costes, los expertos consideran que la implementación de IoT en las infraestructuras es una inversión válida y sostenible.

El futuro del monitoreo de infraestructuras con IoT

El futuro del monitoreo de infraestructuras con IoT es prometedor, con nuevas tecnologías y soluciones en constante evolución. La inteligencia artificial y el machine learning podrían integrarse en los sistemas de monitoreo para mejorar aún más el análisis de datos y la predicción de problemas. Además, la llegada de la tecnología 5G podría mejorar la conectividad y la velocidad de transmisión de datos, haciendo que esta actividad sea aún más efectiva y oportuna.

Para profundizar, lee también: Construcción de Puentes: 10 pasos para manejar todo el proceso