Optimización de localización de sensores para identificación estructural mediante análisis modal operacional del puente arco sobre el río Guadalquivir en la A-453, Palma del Río (Córdoba)

Abstract

Introducción.- Dada el número, importancia y responsabilidad de las redes de infraestructuras (red de transporte de energía eléctrica, red ferroviaria, red de carreteras…) se hace necesario un plan de mantenimiento que garantice su estado de servicio, pues con el tiempo cambian sus condiciones de uso, las exigencias normativas, y por tanto puede llegar a producirse el deterioro o pérdida de seguridad de las mismas. El objetivo del mantenimiento Estructural Predictivo (MEP) consiste en la detección de fallos o daños estructurales en su fase prematura, de tal modo que una reparación a tiempo evite consecuencias más desastrosas desde el punto de vista económico o social. El Análisis Modal Operacional (OMA) consiste en la identificación de los parámetros modales de una estructura en estado de servicio sin tener que interrumpir el mismo, y por medio de datos experimentales medidos in-situ. Los parámetros modales que se identifican son:

Frecuencias naturales de vibración Coeficientes de amortiguamiento Modos de vibración Por esta razón, el OMA se presenta como una de las técnicas fundamentales dentro del MEP. A partir del OMA y empleando técnicas de Actualización de Modelos, se pueden construir herramientas que muestren el comportamiento real de cada estructura durante su vida útil. Estas herramientas permitirán a su vez la identificación y caracterización del daño estructural, posibilitando la toma de decisiones sobre reparación y/o sustitución de elementos estructurales dañados, que es la finalidad del MEP. La diferencia entre el Análisis Modal Operacional y el Experimental, es que en éste último los datos experimentales se toman en un laboratorio a partir de un modelo de ensayo y como resultado de cargas bien controladas. Dentro de las estrategias de OMA, el empleo de métodos de identificación de sistemas estructurales y de actualización de modelos de elementos finitos podrá identificar daños reales in-situ y no en laboratorio; entendiendo por daño cualquiera de los siguientes cambios producidos en:

La configuración geométrica de la estructura Las propiedades mecánicas del material utilizado en su construcción

Las condiciones de sustentación Conectividad entre los diversos elementos individuales de la estructura Los métodos empleados en la identificación de los sistemas estructurales dependen del tipo de datos captados en campo. Estos datos pueden consistir en señales de entrada y salida (input-output modal identification) o sólo en señales de salida (output-only modal identification). A partir de los datos que se obtengan en la monitorización de la estructura, se procederá a evaluar:

La existencia de daño estructural Localización del posible daño Tipificación del daño Evaluación de la gravedad del daño Las técnicas que utilizan señales de entrada y salida basan la identificación modal analizando la respuesta (salida) de la estructura real ante una fuerza (entrada) que se le aplica de forma controlada. El problema principal de tales técnicas en estructuras de puentes, líneas eléctricas, edificios o presas, reside en la gran dificultad de excitar los modos de vibración más significativos en un rango de frecuencias bajo con la energía suficiente y de forma controlada. En grandes estructuras flexibles, como puentes suspendidos por cables o atirantados, la fuerza de excitación requiere equipos extremadamente pesados y caros, los cuales no suelen estar disponibles en la mayoría de los laboratorios de dinámica de estructuras. La alternativa a estos métodos son los que sólo utilizan la respuesta (salida) de la estructura provocada por el ruido ambiental como el viento o el tráfico. Esto es posible gracias a los recientes avances tecnológicos que han evolucionado hacia nuevos tipos de acelerómetros y conversores A/D (Analógico/Digital) más sensibles. Con este nuevo instrumental es posible medir de forma precisa niveles muy bajos de respuesta producida por ruidos ambientales. Lo que también supone que no requieren la interrupción del servicio de la estructura al tomarse las medidas durante el funcionamiento de la misma. Esto ha favoreciendo, a su vez, el desarrollo y evolución de métodos de identificación modal que emplean exclusivamente datos de salida (output-only modal identification).