Digital Twin de un puente para diseñar un refuerzo estructural óptimo

Introducción

Los numerosos colapsos de puentes que han tenido lugar en los últimos años ponen de manifiesto la necesidad de implementar sistemas SHM que entreguen información continua y a tiempo real sobre la condición de estas estructuras. Además de evitar catástrofes, nuestra metodología SHM avanzada permite reducir de manera muy significativa la inversión actual en mantenimiento y conservación gracias a su capacidad predictiva.

Desde el año 2000 el Ministerio de Obras Públicas de Chile había llevado a cabo algunos trabajos de instrumentación de puentes, pero no ha sido hasta 2019 cuando ha avanzado hacia un enfoque disruptivo, demostrando poseer una comprensión avanzada respecto a la importancia de implementar una estrategia de mantenimiento predictivo para puentes basada en Inteligencia Artificial y modelización matemática. Así, en la Dirección de Vialidad se trabaja en conseguir este cambio de paradigma necesario, que a su vez está alineado con la creación de una Política Nacional de Inteligencia Artificial que permitirá una verdadera transición tecnológica en el país.

En este artículo queremos mostrar cómo, a través de nuestra innovadora metodología basada en la creación de un Digital Twin para cada puente combinado con algoritmos probabilísticos avanzados para predicción de evolución de daños, es posible identificar, cuantificar y predecir la evolución de daños existentes para tener una visión completa sobre la condición estructural presente y futura, que permita la toma de decisiones, incluyendo diseñar un refuerzo estructural óptimo teniendo en cuenta criterios técnicos y económicos, y comprobar su idoneidad a través de la simulación de escenarios.

Para ilustrar el caso, explicaremos cómo esta funcionalidad se empleó en un caso real, más concretamente en el puente Calle Calle en Chile.

Desarrollo del Digital Twin del Puente Calle Calle

El puente Calle Calle se encuentra ubicado en el PK 53.94 de la Ruta U-91en la Región de los Lagos de Chile. El puente tiene una longitud total de 37.30 metros, conformado por un único vano isostático, y una anchura total de 8.60 metros, con dos carriles de circulación de 3.5 metros y dos aceras de 0.8 metros que permiten el paso de peatones.

La estructura presenta un tablero mixto de losa colaborante de HA de 20 centímetros de espesor y dos vigas armadas longitudinales en doble T de ala inferior variable con un canto total de 1.78 metros.

Figura 1. Puente Calle Calle. Vista Lateral.

Las vigas longitudinales están conectadas entre sí mediante diafragmas de hormigón armado en las secciones sobre apoyos y triangulaciones en forma de Cruz de San Andrés con travesaño horizontal inferior, formados por perfiles en L y doble L, respectivamente.

Figura 2. Puente Calle Calle. Vista inferior.

La subestructura está formada por estribos cerrados de hormigón armado con muro de contención frontal de 4.7 metros de longitud, 8.55 metros de ancho y aletas abiertas en su parte inferior.  Respecto al comportamiento resistente de la estructura, su mecanismo principal frente a cargas verticales es la flexión.

En 2019 el Ministerio de Obras Públicas detectó la necesidad de diagnosticar la salud estructural de este puente, para lo cual se implementó nuestra metodología.

Tal y como explicamos en la sección SHM, tras un registro inicial desarrollamos un modelo numérico avanzado del puente en el que representamos los elementos estructurales y sus vinculaciones. Este modelo preliminar permite determinar qué nodos sensores son necesarios y sus ubicaciones para conseguir los registros que permitan validar y calibrar el modelo. El registro continuo llevado a cabo por la sensórica instalada por nuestros técnicos permite la actualización permanente del mismo, disponiendo de un Digital Twin del puente para el diagnóstico de la salud estructural actual y futura.

Figura 3. Modelo 3D del puente Calle Calle. Elementos estructurales.

Para este puente se llevó a cabo en primer lugar un diagnóstico del estado actual de la estructura (al que denominamos Diagnóstico Primigenio). El Diagnóstico Primigenio corresponde a un diagnóstico en un momento temporal concreto, y consiste en la comparación de los valores de los parámetros de salud (medidos y/o calculados) con los límites (normativos y/o estructurales) de estos parámetros. Así, mediante el tratamiento de los registros obtenidos de manera conjunta con el modelo numérico de la estructura, y la comparación con los límites admisibles de variación de los parámetros monitoreados, se pudo afirmar que la estructura se encuentra en estado ACEPTABLE. Esto significa que NO existe una afección que pueda comprometer la integridad de la misma de manera inminente.

Una vez establecido el Diagnóstico Primigenio del puente Calle Calle, se empleó nuestra metodología para simular escenarios hipotéticos futuros de alta exigencia, lo que permite conocer anticipadamente las secciones que pudieren presentar fallas ante solicitaciones específicas. Este diagnóstico es al que denominamos Diagnóstico Estructural Avanzado.

Resultados del Diagnóstico Estructural Avanzado del puente Calle Calle

El Diagnóstico Estructural Avanzado pone de manifiesto el comportamiento estructural del puente, en base al cálculo de tensiones en cada una de sus secciones, permitiendo identificar aquellas que se agotarían ante determinadas hipótesis. Se trata, por tanto, de comprobar su aptitud al uso e integridad bajo condiciones de elevada exigencia estructural, obteniendo los mecanismos de fallo y secciones críticas de la estructura.

En base a esta simulación de escenarios hipotéticos de alta solicitación se distinguieron para el puente Calle Calle dos secciones críticas de diferente naturaleza:

  • Secciones próximas a los apoyos. En ellas se detectó un flujo de tensiones de elevada magnitud en el encuentro ala-alma de la viga inferior, coincidiendo con la ubicación de los cordones de soldadura que unen ambos elementos. Se determinó la necesidad de mejorar el mantenimiento relativo a las juntas de dilatación, avance de la corrosión en elementos metálicos y restitución de los mecanismos de desagüe e impermeabilización dañados en las proximidades de los apoyos para prevenir la aparición de daños estructurales severos.
  • Sección de Centro-Luz. Se trata de la sección más demandada dentro de todas las secciones intermedias de la estructura para cargas gravitacionales en puentes isostáticos de sección transversal constante. De acuerdo con los resultados obtenidos, se observó que los elementos más sensibles de la estructura son las vigas longitudinales. En concreto, en el escenario hipotético de estudio, las tensiones de las vigas en la sección centro luz no cumplen con las tensiones límite fijadas por la AASHTO para los Grupos I y III. Estas combinaciones contemplan las acciones representativas de Peso propio y Cargas muertas, Tráfico y Viento.

La solución para reducir las tensiones requería incrementar la rigidez de la sección. De las diferentes posibilidades que podrían aportar la rigidez necesaria, se consideró que incrementar la inercia de las vigas era la opción más adecuada desde el punto de vista de su ejecución y necesidad reducida de mantenimiento.

Diseño del refuerzo estructural óptimo

En base a los resultados obtenidos se propuso como primera aproximación un refuerzo que incrementara la rigidez a flexión en las secciones intermedias de la estructura con el objetivo de garantizar que esta cumple con los criterios actuales de diseño, adaptándose para ello a la normativa vigente en Chile (Manual de Carreteras Volumen 3 de 2017 y AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges. 17th Edition).

El objetivo del refuerzo era incrementar la inercia de las vigas longitudinales y, además, debía cumplir las siguientes premisas:

  • Economía. Es deseable que el refuerzo a implementar no incurra en un elevado consumo de recursos. Para ello, resulta conveniente que la solución sea planteada como un accesorio a la estructura existente, es decir, evitando modificar, en la medida de lo posible, el puente actual.
  • Diseño sencillo. Un diseño sencillo con una tecnología similar a la empleada durante la construcción de la estructura permite una mejor integración funcional, además de facilitar su instalación.
  • Robustez. Ante todo, se debe de priorizar una solución robusta y durable, que aporte la rigidez necesaria y la garantice durante el resto de vida útil de la estructura.

Teniendo en cuenta lo anterior, se propuso un cajón en U unido solidariamente al ala inferior de las vigas longitudinales según se indica en el siguiente esquema:

Figura 4. Diseño del refuerzo propuesto. Esquemas. Sección transversal con mínimas dimensiones del ala inferior de la viga [a)], ídem para máximas dimensiones [b)] y resolución de la discontinuidad del ala [c)]. 

El diseño propuesto garantiza la continuidad del ala inferior –responsable principal del aporte de inercia -, la adaptabilidad a la geometría –a través de la discontinuidad de las almas– y minimiza el número de operaciones complejas de soldadura a realizar –especialmente soldaduras de techo -.

El dimensionamiento del refuerzo se llevó a cabo optimizando el diseño a través de la definición del canto de las almas y el espesor del ala inferior del refuerzo y considerando constantes el espesor de las almas y del ala inferior del mismo

Figura 5. Variables para el dimensionamiento del refuerzo. 

La optimización de la sección se llevó a cabo buscando conseguir la solución de mejor compromiso entre:

  • Cumplimiento de la normativa de diseño AASHTO para el método de las cargas de servicio y las tensiones admisibles.
  • Mínima cantidad de acero necesaria.
  • Mínimo incremento de canto de las vigas longitudinales (evitar disminuir de forma relevante el gálibo hidráulico)
  • Máxima inercia
  • Asegurar la capacidad de trabajar en obra (trabajabilidad)

De acuerdo con los resultados de las simulaciones en base a las combinaciones de acciones, así como los distintos coeficientes a aplicar según lo indicado en la sección 3.22.1A de la AASHTO Standard para los Grupos de carga I, II, III y VII definidos en ella, la combinación más desfavorable resultó ser en centro de vano, alcanzando un 146% de las tensiones admisibles según la normativa AASHTO de aplicación.

Considerando ese escenario, empleando el Digital Twin se diseñaron y simularon tres alternativas de refuerzo analizadas junto con la opción nula, es decir, no aplicar ningún refuerzo.

Tabla 1.Resultados obtenidos para las diferentes propuestas de refuerzo en la situación más desfavorable para la estructura Grupo I (M). Aprovechamiento según normativa AASTHO y cantidad de acero necesaria por metro lineal.

Como se puede observar en la tabla anterior, la mejor alternativa teniendo en cuenta los criterios de diseño según normativa y los criterios económicos resultó ser el Refuerzo 2. La implementación de dicho refuerzo permitiría reducir las tensiones en un 51% respecto a la situación actual para el escenario de carga más desfavorable Grupo I (M).

A continuación, se muestra un croquis del Refuerzo 2 con las dimensiones mínimas requeridas por cálculo:

Figura 6. Dimensiones mínimas requeridas por cálculo para el refuerzo seleccionado. Secciones próximas a los apoyos (izquierda) y sección de Centro-Luz (derecha) 

En lo que se refiere a nivel constructivo, las uniones entre distintos elementos se realizarían por soldadura a tope con preparación de bordes previa en taller, de acuerdo a lo indicado en las respectivas secciones del Manual de Carreteras y AASHTO Standard.

Con el fin de evitar imperfecciones asociadas a la ejecución ‘in situ’, se realizarían el mayor número de operaciones de soldadura en taller previamente a la instalación. En caso de desarrollarse, el futuro proyecto de refuerzo debería contemplar el despiece de los elementos que lo componen y qué uniones deben ser realizadas previamente en taller.

Puesto que la longitud total del puente supera los 30 metros, el refuerzo deberá ser montado en obra por tramos a determinar en función de los medios de transporte que se considere. Se recomienda que dichos tramos coincidan con las discontinuidades de las almas del refuerzo para evitar inducir tensiones residuales en el refuerzo durante su montaje.

Además, en ningún caso deberían coincidir dos cordones de soldadura en un único punto (evitar uniones tridimensionales), ya que la sencillez del diseño del refuerzo permite evitar este tipo de uniones.

Finalmente, para asegurar la validez del planteamiento, también se comprobó la integridad de todos los elementos estructurales del puente (losa, vigas longitudinales, triangulaciones verticales, triangulaciones horizontales y diafragmas) una vez incorporado el mencionado refuerzo, de acuerdo a las combinaciones de cargas consideradas (Grupos de carga I, II, III y VII definidos en la sección 3.22.1A de la AASHTO Standard).

Conclusiones

Tras comprobar que el puente Calle Calle presenta en la actualidad una condición aceptable (es decir, no existe afección que pueda producir el fallo en la actualidad), se llevó a cabo un Diagnóstico Estructural Avanzado consistente en la simulación de hipótesis de alta solicitación. En base a los resultados de este último, empleamos el Digital Twin para el diseño de un refuerzo óptimo de la estructura.

El refuerzo escogido tiene como consecuencia una disminución de las tensiones en centro luz para el caso más desfavorable [Grupo I (M)] del 51% según la norma de diseño AASHTO.

Al simular como influía este incremento de inercia y, por tanto, de rigidez en las vigas longitudinales, se comprobó que efectivamente se producía una disminución de las tensiones máximas en todos los grupos de carga y en todos los elementos estructurales. El beneficio obtenido, de acuerdo con el criterio de evaluación basado en la AASHTO, se traduce en una reducción superior al 70% en los casos más favorables (por ejemplo, en Grupo VII (II) para el diafragma o travesaño de hormigón).

Además del cumplimiento de la normativa por parte de las vigas longitudinales, se ha conseguido que el diafragma o travesaño de hormigón ubicado en los apoyos no exceda las tensiones admitidas por la norma y se ha reducido notablemente la demanda tensional en el resto de elementos de la estructura.

Por este motivo, podemos concluir que la incorporación de un refuerzo con las dimensiones y características especificadas implica un aumento de la capacidad resistente de la estructura – especialmente en la zona de centro luz− y una disminución de las tensiones máximas de forma generalizada en todos los elementos estructurales.

Así, podemos garantizar que, gracias al refuerzo, la sección centro-luz de la estructura cumple con los criterios actuales de diseño, adaptándose para ello a la normativa vigente en Chile.

El empleo del Digital Twin creado para el diagnóstico de la salud estructural ha permitido que el dimensionamiento del refuerzo (refuerzo en forma de U, tipo cajón, con un canto en el alma de 0,2 m y un espesor del ala inferior igual a 0,05 m) se haya llevado a cabo consiguiendo una solución de compromiso entre el cumplimiento de la normativa de diseño AASHTO para el método de las cargas de servicio y de las tensiones admisibles, la mínima cantidad de acero necesario, el mínimo incremento de canto de las vigas longitudinales y la máxima inercia.

Referencias

AASHTO (2002).  Standard Specifications for Highway Bridges.2002

AASHTO (2007). LRFD Bridge Design Specifications.

Instituto Nacional de Normalización de Chile (2007). NCh 430-2007: Hormigón armado — Requisitos de diseño y cálculo.

MINCIENCIA – Ministerio de Ciencia, Tecnología, Conocimiento e Innovación (2020). Proceso de participación para contribuir con la Política Nacional de Inteligencia Artificial. Recuperado de http://www.minciencia.gob.cl/politicaIA

Vialidad (2012) Estudio de definición de cargas especiales de sobrepeso para el Puente Chacao. Ministerio de Obras Públicas, Gobierno de Chile.

Vialidad (2018). Manual de Carreteras (Volumen 3). Instrucciones

Zecchin, E., Marchesini, O., Traversaro, J. C., & Clariá, J. J. (2015). Proyecto de refuerzo del puente sobre el arroyo Paranay-Guazú–Estudio de caso. Revista de la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales2(2), 45-50.

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