El caso de estudio del puente Stonecutters en Hong Kong

Frecuentado por los portacontenedores más grandes del mundo, cuenta con un vano principal de 1.018 metros que cruza el canal de Rambler y una longitud total aproximada de 1,6 km. Se encuentra a 73,5 metros sobre el nivel del canal de navegación. El puente está sustentado por dos pilonos de hormigón y acero de 290 metros de altura. Tiene una anchura de 53 metros y su sección transversal está formada por dos cajones continuos conectados entre sí mediante vigas. En el momento de la publicación del artículo, el Stonecutters Bridge era el segundo puente atirantado más largo del mundo y uno de los dos únicos puentes atirantados con un vano superior a 1 km.

El Departamento de Carreteras de Hong Kong ha desarrollado un sistema de monitorización de la integridad estructural y del viento (Wind and Structural Health Monitoring System, WASHMS) para supervisar el comportamiento estructural del Stonecutters Bridge y decidir oportunamente el cierre del puente en caso de que un evento provoque que se superen los límites de servicio. Para ello, se ha instalado una red de más de 1.700 sensores, colocados durante la construcción de la estructura. Estos incluyen sensores para evaluar la integridad estructural y sensores ambientales capaces de medir deformaciones, elongaciones, aceleraciones, temperatura y condiciones del viento (Figura 1).

Todo ello convierte probablemente al Stonecutters Bridge en el puente con mayor número de sensores del mundo. Los requisitos de seguridad han centrado la atención en la monitorización de las vibraciones, mediante la medición tanto de los niveles de aceleración como de las deformaciones a través de receptores GPS. Las señales de aceleración se utilizan principalmente para el Análisis Modal Operacional (Operational Modal Analysis, OMA), que permite obtener los valores de referencia necesarios para validar y actualizar los modelos de elementos finitos del puente. Los desplazamientos medidos y los modelos de elementos finitos actualizados se integran en un procedimiento híbrido que permite calcular las deformaciones, las tensiones, las fuerzas y los momentos en cualquier punto del puente. La monitorización de las vibraciones, combinada con el sistema de evaluación de la integridad estructural y de la fatiga, contribuye a mejorar la seguridad al permitir una planificación más eficiente de las inspecciones y los trabajos de mantenimiento.

Desde 2011 está operativo un sistema personalizado de procesamiento y análisis de datos, desarrollado por DDS utilizando la plataforma FEMtools Framework.

El sistema consta de los siguientes componentes: a) Análisis Modal Operacional (OMA) de las historias temporales de aceleración. La extracción modal está automatizada y se utiliza para la actualización del modelo (model updating) y la monitorización de los parámetros modales. b) Monitorización de los desplazamientos medidos por los receptores GPS. Estos desplazamientos se utilizan como datos de entrada para calcular las tensiones en todos los puntos de la estructura mediante el modelo de elementos finitos del puente. Las tensiones obtenidas se utilizan para monitorizar la acumulación de fatiga. c) Correlación entre tensiones, fuerzas y momentos y las condiciones ambientales (viento y temperatura).

La extracción de los parámetros modales se realiza utilizando dos métodos OMA consolidados para aplicaciones industriales:

(i) Stochastic Subspace Identification (SSI), mediante un software externo independiente (stand-alone).

(ii) Polyreference Least Squares Complex Frequency-Domain Estimator (pLSCF), integrado en el software de monitorización WASHMS del Stonecutters Bridge.

Las comparaciones revelaron una gran similitud entre los resultados obtenidos con estos dos métodos OMA diferentes, lo que permitió validar la fiabilidad de las formas modales obtenidas. Ambos métodos generan diagramas de estabilización muy claros, por lo que son adecuados para automatizar el proceso de selección de polos. El procedimiento OMA basado en pLSCF e integrado en el framework resulta más adecuado que el otro para automatizar por completo el proceso, ya que permite un flujo de datos más sencillo entre la adquisición de las aceleraciones y la herramienta de posprocesamiento de las formas modales.

En las mediciones realizadas in situ se estudió la influencia de la duración de los registros y se observó que, en un día de viento intenso, un registro de 3 horas permite identificar el mismo número de formas modales que uno de 1 hora. Al promediar las señales adquiridas en ambos extremos del puente, aumenta la probabilidad de identificar un mayor número de formas modales. La monitorización durante periodos prolongados también ha demostrado que las formas modales permanecen muy estables a lo largo del día, mientras que el amortiguamiento modal varía significativamente durante las horas punta del tráfico.

Se desarrolló una rutina personalizada que recupera los desplazamientos registrados por 8 receptores GPS, previamente almacenados en una base de datos SQL, y los transfiere posteriormente a un programa de monitoreo de deformaciones y tensiones (Figura 2).

El sistema GPS convierte la señal bruta (latitud, longitud y altura) en desplazamientos del sensor expresados en el sistema de coordenadas del puente, antes de almacenarlos en la base de datos SQL. Los GPS están ubicados en la parte superior de las torres y en ambos laterales del puente, en las secciones correspondientes a 1/4, 1/2 y 3/4 de la luz. Los desplazamientos medidos por el sistema GPS (Leica) presentan una precisión de ± 2 cm. Esto se consigue utilizando una señal para compensar el error, emitida por un transmisor de referencia situado en tierra, cuya posición exacta es conocida.

La frecuencia de muestreo es de 20 Hz. Las condiciones atmosféricas de Hong Kong suelen ser adecuadas para el correcto funcionamiento del sistema GPS. No obstante, el rendimiento del sistema puede verse afectado negativamente por el paso de nubes densas. Durante la fase de puesta a punto del sistema, se observó que la señal GPS presenta ocasionalmente un comportamiento espurio o deja de estar disponible temporalmente. Por tanto, resulta imprescindible aplicar un tratamiento adecuado de la señal para acondicionar los datos (p. ej., eliminación de valores anómalos e interpolación de las mediciones faltantes, entre otras operaciones).

Conocer las tensiones derivadas de la deformación real del puente durante su vida útil es esencial, ya que constituyen los datos de entrada para el procedimiento de monitoreo de la acumulación de fatiga. Esto permite evaluar la vida útil remanente de la estructura, diseñada para una vida útil de 120 años. Además, la información sobre las condiciones reales de carga a las que está sometido el puente se utiliza como principal referencia para la toma de decisiones relativas a las inspecciones y los intervalos de mantenimiento. Aunque es posible calcular las tensiones utilizando modelos de elementos finitos validados del puente, combinando la información obtenida de los sensores del WASHMS (específicamente, viento, temperatura, tráfico y actividad sísmica) con un enfoque estadístico y probabilístico, el sistema GPS para la recuperación de tensiones ofrece una alternativa que permite registrar y monitorear continuamente las deformaciones del puente.

Esto resulta especialmente útil para gestionar situaciones accidentales, como la colisión de una embarcación, o condiciones extremas de carga transitoria, como las que se producen durante tifones o terremotos. Los datos de tensiones y deformaciones (stress y strain) obtenidos mediante el proceso de recuperación pueden utilizarse como alternativa al registro de las deformaciones mediante extensómetros. Durante la vida útil de la estructura, las deformaciones registradas siguen siendo la principal fuente de información para el monitoreo de la fatiga y se someten a un posprocesamiento mediante el conteo rainflow y la regla de Miner. Además, las deformaciones experimentales sirven como referencia para la validación y calibración del modelo de elementos finitos. No obstante, el ahorro de costes que puede lograrse mediante el enfoque basado en GPS es significativo. Por ello, se espera que, con el tiempo y a medida que aumente la confianza en la robustez de este enfoque, se reevalúe la posibilidad de realizar registros continuos de las deformaciones (strain).

Los puentes atirantados, como el Stonecutters Bridge, están sometidos a condiciones ambientales variables, como la temperatura y el viento. Estos efectos ambientales provocan cambios en las deformaciones y en las propiedades modales que pueden enmascarar las modificaciones causadas por un daño estructural. Para abordar este problema, se desarrollaron sistemas adicionales de lectura para recuperar los datos ambientales registrados en la base de datos central. Estos datos incluyen la velocidad, la dirección y el espectro del viento, así como la temperatura en diferentes puntos del puente. Estas señales se utilizan para correlacionar los parámetros modales, los desplazamientos máximos del puente y de las torres, y las fuerzas y los momentos en la base de las torres. El procesamiento de los resultados permite generar diagramas de dispersión e histogramas, calcular diversas magnitudes estadísticas y realizar análisis de regresión. Este procedimiento ayuda a los ingenieros responsables del puente a comprender mejor la variabilidad de los parámetros de monitoreo, que se utilizan en el sistema de clasificación y evaluación de la integridad estructural.

Referencias bibliográficas

E. Dascotte, J. Strobbe, U. Tygesen, Continuous Stress Monitoring of Large Structures. Presented at the 5th International Operational Modal Analysis Conference (IOMAC), May 2013, Guimaraes, Portugal.

Para profundizar en el tema:

• Applicazione del digital twin alle grandi strutture
• Le sfide del monitoraggio continuo dell’integrità strutturale
• El caso de estudio de la plataforma offshore Valdemar