Gran parte de la infraestructura civil estadounidense ya está funcionando más allá de su vida útil, pero dado el costo de reemplazar estos recursos, debemos continuar usándola mientras sea seguro hacerlo. Esta condición plantea la pregunta: ¿cómo podemos determinar el período de tiempo que una estructura seguirá siendo segura de usar? Un enfoque que se utiliza es el monitoreo de la salud estructural (SHM). SHM mide cómo se está desempeñando una estructura en condiciones de servicio y luego compara el desempeño medido con algún nivel aceptable de desempeño. Los resultados pueden indicar cuánta vida útil podría quedar y ayudar a tomar decisiones sobre actualizaciones para extender la vida útil de la estructura. Extender la vida útil puede ahorrar dinero, mantener la movilidad y minimizar los impactos en la comunidad en comparación con las opciones de eliminación y reemplazo. Este artículo presenta un caso histórico en el que SHM ayudó a extender la vida útil de una estructura de carretera importante y sugiere formas en las que el mismo enfoque podría ser útil para evaluar el desempeño futuro de los activos geotécnicos.
El proyecto de historia del caso descrito en este artículo involucra una parte elevada de la I 91 que entonces tenía 50 años de antigüedad en Springfield, Massachusetts, que pertenece y es mantenida por MassDOT. Esta sección de la I-91 se construyó a finales de la década de 1960, lo que significa que casi había alcanzado su vida útil prevista de 50 años.
La vía elevada tiene aproximadamente 4,400 pies de largo, con tres carriles de tránsito en cada dirección. La sección en dirección norte consta de 67 tramos con 321.000 pies cuadrados de tablero de puente. La sección en dirección sur consta de 62 tramos con 293.000 pies cuadrados de tablero de puente. Antes de que comenzaran los trabajos de reparación, el puente transportaba un promedio de 72.000 vehículos por día laborable y 54.000 vehículos por día los fines de semana. El tráfico máximo de 5.700 vehículos por hora se produjo durante los días laborables por la tarde. En el momento en que se llevó a cabo el programa SHM, los costos anuales de mantenimiento para estas secciones de la carretera habían alcanzado los $2 millones y estaban aumentando.
Como mínimo, fue necesario reemplazar el tablero del puente. Y a partir de inspecciones y análisis visuales, los ingenieros habían juzgado que muchos elementos estructurales críticos para la seguridad del puente eran potencialmente deficientes estructuralmente, por lo que había que hacer algo. Se consideró el reemplazo total, pero esto llevaría mucho tiempo, plantearía impactos negativos significativos y tenía un costo estimado de 800 millones de dólares.
La firma de consultoría e ingeniería municipal CME Associates dirigió un equipo para planificar una plataforma de puente de reemplazo construida de manera secuencial utilizando Accelerated Bridge Construction para minimizar los impactos de la movilidad en el público viajero. Al emplear elementos prefabricados del tablero del puente, el tráfico podría mantenerse en movimiento durante la construcción, la vida útil del puente se extendería al menos 20 años y el costo estimado ascendería a unos 260 millones de dólares, o alrededor de un tercio del costo de un reemplazo completo. . No se conocían problemas con los cimientos o las subestructuras, por lo que ésta era una alternativa atractiva si se podían resolver las preocupaciones con los principales elementos estructurales. Esas preocupaciones incluían la tensión excesiva de las vigas principales con placas de cubierta de longitud parcial y vigas de tapa de acero de fractura crítica entre las vigas longitudinales principales.
Casi todos los tramos contenían vigas de tapa de fractura crítica que se extendían entre las columnas del pilar y estaban enmarcadas en las vigas longitudinales con empalmes atornillados. Había un historial de problemas menores de agrietamiento por fatiga en estas vigas de tapa donde se enmarcan en las vigas de imposta. Se determinó que este comportamiento era causado por una conexión incompleta, lo que producía una flexión fuera del plano.
Ochenta y cinco tramos contenían vigas con placas de cubierta de longitud parcial que proporcionaban una resistencia a la fatiga limitada según lo requerido por las Especificaciones de diseño de puentes AASHTO LRFD. Si fuera necesario, estas vigas podrían mejorarse mediante bridas inferiores y granallado de las soldaduras de la placa de cubierta.
El análisis de una de las vigas con la calificación más baja con placas de cubierta de longitud parcial mostró que la tensión de fatiga calculada era ligeramente mayor que el umbral de vida de fatiga infinita (es decir, el nivel de tensión por debajo del cual se puede aplicar un número infinito de ciclos de carga a un material sin causando falla por fatiga), como sigue:
Límite de vida útil por fatiga infinita: 2,6 ksi
Fatiga calculada I Estrés: 3,4 ksi
Las vigas laminadas con placas de cubierta de longitud completa probablemente estarían por encima de este límite. El análisis también mostró que la tensión de flexión calculada en el ala inferior de las vigas de tapa fue:
Límite de vida útil de fatiga infinita: 12,0 ksi
Fatiga calculada I Estrés: 9,1 ksi
Ninguna de las vigas se había agrietado de esta manera, pero los cálculos mostraron que esto podría suceder en el futuro. La experiencia con otros puentes ha demostrado que las tensiones calculadas son normalmente mayores que las tensiones en servicio. Así se desarrolló la idea de que las tensiones en servicio deberían medirse para determinar qué tan cerca estaban los niveles de tensión del límite de vida útil por fatiga infinita calculado. Las peores vigas tendrían galgas extensométricas instaladas y se tomarían mediciones durante el uso en servicio con la expectativa de que los valores medidos serían menores que los valores calculados.
En total se instalaron 150 bandas extensométricas soldables por puntos en vigas de acero de superestructura y en elementos de puente seleccionados. La Figura 1 muestra las ubicaciones de instalación de galgas extensométricas en los extremos de las placas de cubierta unidas a las vigas. La Figura 2 muestra al técnico soldando por puntos una galga extensométrica al ala inferior de una viga. Esto requirió paciencia y atención a los detalles en ritmos apretados y clima frío. La Figura 3 muestra cinco galgas extensométricas unidas a una viga para medir los cambios en la fuerza axial y la flexión de la viga.
Las mediciones se recopilaron durante condiciones de tráfico típicas con registradores de datos de alta velocidad iSite a una frecuencia de 200 Hz por canal durante un período de un mes. La Figura 4 muestra un conjunto de mediciones de seis galgas extensométricas en un lugar de una viga. La cifra contiene 24 millones de puntos de datos recopilados durante cuatro horas. La Figura 5 muestra mediciones en una placa de cubierta en la mitad del tramo y al final durante cuatro horas. Esta cifra tiene sólo 8 millones de puntos de datos. La tensión se ha convertido en estrés. Es importante reconocer que lo que se mide es el cambio en la mancha desde un punto de referencia, y no la tensión absoluta en la viga. Para convertir las tensiones monitoreadas en un conjunto equivalente de inversiones de tensión de amplitud constante, Geocomp desarrolló un algoritmo de conteo de flujo de lluvia que reside en el registrador de datos para reducir la enorme cantidad de datos a una cantidad manejable de lo que se necesitaba. Luego, CME utilizó los resultados del algoritmo para realizar cálculos de vida por fatiga para determinar la vida útil restante de la superestructura utilizando los datos para validar su modelo.
Para procesar la gran cantidad de datos, un programa automatizado identificó el ciclo de carga de tensión y lo contó para el análisis de fatiga de acuerdo con ASTM E1049-85, “Prácticas estándar para el conteo de ciclos en el análisis de fatiga”. Los datos recopilados también permitieron diferenciar entre la carga de tensión del tráfico y las tensiones inducidas térmicamente porque las tensiones térmicas a menudo pueden ser mucho mayores que las tensiones de carga viva. CME utilizó las mediciones para validar el modelo que utilizó para realizar cálculos de vida por fatiga y luego determinar la vida útil restante de la superestructura.
La evaluación de los datos del programa de instrumentación y monitoreo permitió al cliente validar y refinar los modelos numéricos avanzados desarrollados para el diseño de rehabilitación. Las predicciones, basadas en los datos de carga de tensión, llevaron a una extensión estimada de la vida útil de estos elementos estructurales de 35 años. Con algunos trabajos de rehabilitación, la estructura del puente podría volverse segura durante los 20 años de vida útil esperada de una nueva plataforma. El costo estimado para MassDOT para realizar estas reparaciones y reemplazar la plataforma fue de $260 millones. El coste real final después de mayores ajustes fue de 148 millones de dólares. Este resultado ahorró a MassDOT más de $600 millones que podrían usarse para otros proyectos críticos.
Si bien este proyecto trata de la estructura de un puente, también tiene lecciones para los ingenieros geotécnicos. En primer lugar, medir el desempeño en servicio puede ayudar a los ingenieros a evaluar los cálculos y determinar las condiciones reales para mejorar los modelos predictivos y brindar más confianza en nuestro conocimiento de las condiciones reales. Esto puede reducir el conservadurismo en nuestra toma de decisiones. En segundo lugar, el desempeño medido puede ayudar a evaluar la condición de las estructuras que se acercan al final de su vida útil de diseño para determinar cuánta vida útil queda y qué se puede hacer para extender esa vida. En tercer lugar, ahora existe tecnología para recopilar grandes cantidades de datos de desempeño de manera que ayuden a separar los efectos de cargas repentinas, cambios ambientales y degradación a largo plazo, de modo que se pueda realizar una evaluación integral del desempeño en servicio. Gran parte de lo que antes pensábamos que era dispersión en las mediciones ahora puede verse como la combinación de estos diversos efectos.
Nuestra enorme cantidad de infraestructura obsoleta presenta grandes desafíos para los propietarios, ingenieros y contratistas a la hora de encontrar formas de extender la vida útil de muchas de estas instalaciones existentes en lugar de eliminarlas y reemplazarlas. La obtención de mediciones en servicio del desempeño de los elementos que soportan carga de una instalación puede proporcionar mucha información sobre el desempeño actual y el nivel de seguridad de la instalación. Estas mediciones, junto con el análisis y la evaluación adecuados, pueden en muchos casos proporcionar una forma confiable de realizar evaluaciones cuantitativas de los niveles de carga, los niveles de rendimiento y la vida útil restante. Los resultados pueden mostrar que a un componente crítico para el desempeño seguro de la instalación le queda mucha más vida útil de lo que indica una inspección visual. Alternativamente, las mediciones pueden mostrar cómo reforzar el elemento de forma económica para extender su esperanza de vida.
Este enfoque es algo que yo llamo Extensión de Vida Estructural. Como se demostró en el proyecto I-91, SLE puede proporcionar importantes ahorros a los propietarios al exprimir de manera segura más vida útil de una instalación que la que se podría obtener con sistemas de evaluación de salud más tradicionales basados en inspecciones visuales. Este enfoque se ha convertido recientemente en una posibilidad práctica con el desarrollo de sistemas de adquisición, gestión y procesamiento de datos de alto rendimiento que son relativamente económicos. Estos sistemas se pueden implementar en el campo y funcionar con batería, lo que los convierte en herramientas prácticas y rentables para esta aplicación.
Sin embargo, algunas palabras de precaución son apropiadas. Estos sistemas y su aplicación son razonablemente sencillos de entender y aplicar, pero requieren un trabajo cuidadoso y concienzudo en todos los aspectos para ofrecer resultados fiables y útiles. Muchas instalaciones de galgas extensométricas no proporcionan datos fiables porque no se utilizaron los procedimientos adecuados. Los errores típicos incluyen no preparar adecuadamente la superficie del miembro, no fijar el medidor correctamente, usar materiales inadecuados para las condiciones climáticas, no proteger contra el ingreso de humedad, no abordar las pérdidas de voltaje en las líneas principales, el ruido eléctrico en el sistema y mezclar cables. y sujetar incorrectamente los cables. Procesar grandes cantidades de datos sin errores también puede ser un desafío, y detectar y eliminar los errores puede ser difícil y llevar mucho tiempo. Proporcionar datos confiables, para que los ingenieros que los evalúan puedan centrarse en lo que significan y no en si son buenos o no, es un requisito esencial para el uso del sistema de monitoreo para aplicaciones SLE. Si se hace bien, los resultados pueden ser más satisfactorios cuando el equipo determina que puede decirle al propietario que su instalación tiene muchos más años de vida útil.
By W. Allen Marr, Ph.D., P.E., D.GE, NAE, F.ASCE
(993) 389 4059
Calle 10 30, San Pedro de los Pinos, Benito Juárez, 03800 Ciudad de México, CDMX
info@soilsolution.com.mx