La inversión adecuada en el mantenimiento de puentes es esencial para garantizar su funcionamiento seguro y prolongar su vida útil. Cada año, las necesidades de inversión aumentan debido al creciente envejecimiento de las estructuras y a que están continuamente sometidas a acciones externas que, de no ser abordadas y controladas de manera adecuada, pueden poner en riesgo la estabilidad de los puentes y la seguridad de sus usuarios.

Además de garantizar la seguridad, la optimización de las inversiones de mantenimiento debe ser una prioridad para los gestores de infraestructuras, ya que retrasar las inversiones aumenta los costes de manera exponencial. Las intervenciones de mantenimiento preventivo han demostrado reducir significativamente el coste total previsto de este tipo de tareas.

Sin embargo, los gestores de una red de puentes a menudo se enfrentan al desafío de tomar decisiones sobre qué estructuras deben recibir medidas de mantenimiento, especialmente cuando los recursos son limitados. En este sentido, cobra especial importancia conocer cómo establecer una jerarquía de puentes sobre una determinada red, es decir, conocer qué factores y de qué manera es posible aplicar un método que permita al gestor decidir sobre qué puentes es más prioritaria la ejecución de tareas de mantenimiento.

Una vez se ha llevado a cabo la priorización de puentes, se debe tener en cuenta que un plan de mantenimiento basado a partir de los resultados de las inspecciones visuales tradicionales no es eficaz si existen defectos que no tengan una manifestación visible.

La implementación de sistemas avanzados de Structural Health Monitoring (SHM) y el desarrollo de un Digital Twin del puente se presenta como una solución a este problema. Integrando el Digital Twin en el método de jerarquización, los gestores pueden tomar decisiones informadas y basadas en datos sobre qué actividades de mantenimiento priorizar, dónde y cuándo implementarlas.

Conocer cómo gestionar los recursos mediante métodos de jerarquización

Todos los puentes necesitan mantenimiento, y la monitorización estructural es una herramienta que permite optimizar y priorizar las acciones de mantenimiento. Por tanto, tener un alto porcentaje de puentes monitorizados es la solución ideal.

Sin embargo, este objetivo suele no poder alcanzarse a corto plazo por motivos económicos y el gestor de una red de puentes debe determinar cuáles son los más prioritarios, es decir, aquellos en los que se deben realizar primero las actividades de mantenimiento.

IDVIA no solo proporciona una innovadora tecnología SHM para la monitorización de salud estructural de puentes, sino que ha desarrollado un método de jerarquización de puentes basado en la aplicación de modelos matemáticos y análisis multicriterio. Este método proporciona como resultado una clasificación de aquellos puentes que requieren ser tratados con antelación.

Clasificación de puentes que requieren ser tratados con antelación como resultado del método de jerarquización.

Los modelos matemáticos de análisis multicriterio permiten combinar diferentes criterios y asignarles pesos relativos según su importancia y sus índices de deterioro actuales. El objetivo es analizar todos los datos y antecedentes disponibles sobre los puentes de la red objeto de estudio, tomando como base diferentes parámetros con los que podemos clasificar de la forma más objetiva y exhaustiva posible aquellos puentes de la red que deben ser objeto de un primer seguimiento.

Puente con bajo índice de deterioro por socavación (izq.) (Fondriest Environmental, Inc., 2014); Puente con alto índice de deterioro por socavación (der.) (Márquez, M., Valenzuela, M., Milla, P. & Vidal, P., 2017).

Existen multitud de parámetros a tener en cuenta para la aplicación de este tipo de análisis. Algunos de los criterios más importantes y que mayor impacto suponen en el mantenimiento de puentes son los siguientes:

Parámetros estratégicos

• Intensidad del tráfico. Se debe dar prioridad para la aplicación de SHM a los puentes de alta demanda en la red.
• Rutas alternativas. Cuanto mayor sea el tiempo necesario para tomar una ruta alternativa, mayor importancia se dará para aplicar SHM al puente.

Parámetros estructurales

• Las estructuras antiguas son más atractivas que las nuevas para la aplicación de sistemas SHM avanzados.
• Salud estructural. Con ayuda de una inspección, es posible determinar el estado de salud preliminar de la estructura. Cabe destacar que patologías que difícilmente se identifican en una inspección visual, como la carbonatación, no pueden tenerse en cuenta en este criterio.
• Longitud del puente. Cuanto mayor es el tamaño del puente, mayor es la inversión en mantenimiento necesaria para garantizar la seguridad de sus usuarios. Por tanto, para evitar aumentos de coste exponenciales, se priorizan los puentes más largos.

Parámetros medioambientales

• Hidrología. El lecho del río que transcurre por puentes con apoyos intermedios debe tenerse en cuenta. El tipo de cauce o la vegetación cercana definen este criterio.
• Socavación. Este peligroso fenómeno puede llegar a producir el colapso de la estructura en determinadas situaciones, por lo que supone un criterio imprescindible a tener en cuenta para la aplicación de técnicas SHM.
• La actividad sísmica es esencial en algunas ocasiones, ya que estos fenómenos pueden afectar a la estabilidad y la integridad de las estructuras.

Algunos de los parámetros de evaluación son adaptables a las preferencias del gestor de la infraestructura, pero otros deben incorporarse siempre. Con esta información, nuestro algoritmo de jerarquización permite una toma de decisiones basada en datos y objetiva, permitiendo de este modo optimizar la agenda de actuaciones sobre cualquier red de puentes.

Digital Twin, el complemento ideal de un método de jerarquización

Una vez se ha determinado la jerarquía a seguir acerca de qué puentes deben ser monitoreados en primer lugar dentro de una misma red, se deben plantear las siguientes preguntas:

• ¿Qué acciones de mantenimiento necesita el puente?
• ¿Con qué frecuencia los necesita?

Una de las herramientas más poderosas para respaldar el proceso de jerarquización y dar respuesta a estas preguntas es el Digital Twin. Un Digital Twin es un modelo numérico de elementos finitos que supone una réplica virtual de la estructura física que representa. Proporciona una representación digital detallada y precisa del puente, lo que permite la supervisión continua de su estado y comportamiento.

La innovadora tecnología SHM de IDVIA permite integrar el Digital Twin en el análisis multicriterio, siendo capaces de identificar áreas problemáticas y evaluar el riesgo de fallas, lo que permite tomar decisiones informadas para asignar los recursos de manera óptima. Por tanto, los gestores pueden dar respuesta a qué actividades de mantenimiento se deben priorizar y cuándo se deben implementar de una manera más efectiva.

Desde una instalación estratégica de sensores para recolectar la información necesaria que permita conocer el comportamiento dinámico del puente hasta la consolidación de un modelo numérico calibrado es lo que IDVIA es capaz de ofrecer, además de la incorporación de otras metodologías propias a lo largo de las diferentes etapas del proceso.

El Digital Twin facilita la detección temprana de problemas y el análisis de tendencias a lo largo del tiempo. Esto proporciona información valiosa para evaluar el rendimiento, la salud estructural de la infraestructura y futuras intervenciones.

Además de poder comprobar el estado de salud actual de la estructura teniendo en cuenta patologías que no pueden ser identificadas en una inspección visual, es posible realizar simulaciones numéricas en las que se apliquen modificaciones a la estructura. En caso de observar un comportamiento anómalo de cualquiera de sus elementos estructurales, el Digital Twin permite simular la respuesta del puente ante una posible modificación, como puede ser la incorporación de un refuerzo, cuyo trabajo ha sido realizado por IDVIA en el puente Calle Calle, en Chile.

Diseño del refuerzo propuesto para viga del puente Calle Calle tras el diagnóstico de salud estructural elaborado mediante técnicas SHM y el desarrollo de Digital Twin.

De este modo, el desarrollo de un Digital Twin es el complemento ideal y el paso inmediato a seguir tras la aplicación del método de jerarquización, es decir, conociendo sobre qué puente actuar primero, se aplican técnicas avanzadas de SHM para llevar a cabo un mantenimiento óptimo.

Nuestra opinión como expertos

La jerarquización o priorización de actividades de mantenimiento en puentes es crucial para garantizar su funcionamiento seguro y eficiente. Los sistemas SHM avanzados pueden proporcionar información más frecuente o continua sobre las estructuras, pero ante una situación de recursos limitados no pueden instalarse en todos los puentes de la red.

IDVIA ha desarrollado una herramienta de análisis multicriterio mediante modelos matemáticos para seleccionar en qué puentes instalar SHM en función de distintos parámetros que afectan a los costes (estratégicos, estructurales y medioambientales). Como resultado, este método otorga una clasificación o jerarquía de puentes sobre los que se debe priorizar la aplicación de tareas de mantenimiento.

El uso del Digital Twin en la jerarquización y priorización permite una gestión más eficiente de los recursos de mantenimiento al identificar y abordar problemas de manera proactiva. El monitoreo continuo del estado del puente a través del Digital Twin ayuda a identificar las necesidades de mantenimiento de manera oportuna, lo que permite abordar problemas antes de que se conviertan en fallos costosos o peligrosos.

IDVIA propone un enfoque que combina el análisis multicriterio con las tecnologías SHM y el desarrollo de Digital Twin, mejorando la seguridad de la red de puentes, prolongando su vida útil y maximizando el uso de los recursos disponibles. Dicha unión es fundamental para garantizar una gestión efectiva y sostenible de la red.

La implementación de sistemas avanzados de SHM y de desarrollo de un Digital Twin de los puentes resultantes de la jerarquización se presenta como una herramienta clave para conocer las necesidades de cada estructura, minimizando así la inversión en mantenimiento al actuar en el momento óptimo mediante la operación de mantenimiento o refuerzo necesaria.

Referencias

Andrés, L., Ribes, F., Fernández, E. & Maldonado, J. (2022). Application of mathematical models and multicriteria analysis to establish an optimized priorization for the maintenance of bridges in a network. Modelling for Engineering & Human Behaviour 2022.

Fondriest Environmental, Inc. (2014). Monitoring Scour at Bridges and Offshore Structures. Fundamentals of Environmental Measurements. Disponible en: https://www.fondriest.com/environmental-measurements/environmental-monitoring-applications/monitoring-scour-bridges-offshore-structures/

Gómez, D., Marulanda, J. & Thomson, P. (2008). Sistemas de control para la protección de estructuras civiles sometidas a cargas dinámicas. Dyna, 75 (155), 77–89.

Kong, Jung S., & Frangopol, Dan M. (2003). Evaluation of expected life-cycle maintenance cost of deteriorating structures. Journal of Structural Engineering, 129 (5), 682-691.

Márquez, M., Valenzuela, M., Milla, P. & Vidal, P. (2017). Procedimiento de refuerzo de puentes tradicionales chilenos: socavación y sismo. Revista Portuguesa de Engenharia de Estruturas, 4, 91-104.