ES2697689A1 - Dispositivo y procedimiento para la monitorizacion de socavacion - Google Patents

Abstract

Dispositivo y procedimiento para la monitorización de socavación. La presente invención da a conocer un dispositivo para la monitorización de socavación en infraestructuras lineales que comprende: a) al menos un acelerómetro; b) al menos un microprocesador o "Single Board Computer (SBC)"; c) al menos un cambiador de nivel o "Level Shifter"; d) al menos un inclinómetro; y e) al menos un subsistema de comunicación con conectividad a internet. La presente invención también se refiere a un procedimiento de monitorización de socavación que utiliza dicho dispositivo.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo y procedimiento para la monitorización de socavación

La monitorización y mantenimiento del estado estructural de los elementos de conexión más importantes dentro de la red de infraestructuras lineales, por ejemplo de los puentes, juegan un papel fundamental para garantizar la seguridad de los usuarios que por ellas transitan. Además, reparar los daños que pueden sufrir dichas infraestructuras requiere de enormes inversiones, por lo que la correcta preservación y mantenimiento de este patrimonio es vital.

Durante los últimos años, se ha señalado que la socavación es la causa principal de colapso de los puentes a nivel mundial, aspecto que se ha visto incrementado durante los últimos años al experimentar importantes variaciones en la dinámica fluvial. La socavación supone problemas obvios en la estabilidad de las estructuras, dado que el agujero de socavación generado tiene el efecto de reducir la rigidez del cimiento y puede causar el fallo del puente de forma repentina.

La socavación es resultado de la acción erosiva producida por el agua, que excava y arrastra el material del lecho fluvial, provocando flujos turbulentos alrededor de las pilas. En la actualidad, la auscultación/inspección que se lleva a cabo en los puentes para determinar si existe o no socavación en las cimentaciones de las pilas y/o estribos está basada en la inspección visual por parte de operarios experimentados. Así pues, el fenómeno de la socavación se detecta cuando éste ya se ha producido de forma evidente y se soluciona con medidas correctivas, o bien con medidas protectoras preventivas para evitar el daño ante un riesgo inminente de socavación en las pilas, tal como la protección de escollera, entre otras.

Determinar la magnitud de la socavación es una tarea complicada debido a la naturaleza cíclica del fenómeno. El motivo reside en que durante las crecidas la velocidad del agua se incrementa, aumentando el arrastre de sedimentos en los alrededores de las pilas que ocupan el lecho. Por el contrario, cuando el caudal baja, la velocidad del agua se reduce propiciando la deposición de sedimentos en las cavidades anteriormente excavadas que no proveerán las mismas condiciones de soporte al no encontrarse compactados como el resto del suelo. Este hecho provoca que sean fácilmente erosionables en la próxima crecida y dificulta aún más la detección y cuantificación del fenómeno.

Sin embargo, es conocido que la respuesta dinámica del puente frente a cargas estáticas o dinámicas está fuertemente influenciada por la interacción suelo-estructura (Foti, S., & Sabia, D. (2011). Influence of foundation scour on the dynamic response of an existing bridge. J Bridge Eng, 295-304). De este modo, una evaluación del comportamiento dinámico permitirá proporcionar datos suficientes para la detección de socavación, puesto que la respuesta de las pilas, como se demostrará en este documento, está fuertemente condicionada por la presencia de hoyos de socavación o rellenos de material. De este modo, los cambios en las condiciones de apoyo implicarán un incremento de tensiones y una disminución de la rigidez en el suelo que derivarán en una variación en el patrón vibratorio del conjunto suelo-estructura.

Por tanto, el uso de sistemas inerciales podría ser una técnica adecuada para medir los cambios en el comportamiento dinámico. Su funcionamiento se basa en la detección indirecta de los cambios en la frecuencia natural de la estructura como consecuencia de los cambios en la respuesta vibratoria del conjunto, la cual podrá ser determinada mediante la transformación de registros a través de herramientas de análisis espectral (Brincker, R., Zhang, L., & Andersen, P. (2001). Modal identification of output-only systems using frequency domain decomposition. Smart Mat Struct 10, 441-445).

No obstante, aunque los métodos desarrollados en la técnica anterior demostraron que existe una relación directa entre la presencia de socavación en una pila de puente y la respuesta dinámica de la estructura, estos métodos son incapaces de reproducir en el terreno los resultados obtenidos a escala de laboratorio. Esto puede ser debido a las dificultades para medir las constantes elásticas de las pilas de los puentes, por ejemplo, y a que no tienen en cuenta parámetros del terreno, tales como el ángulo de fricción interna efectiva (0), la cohesón efectiva (c), el módulo de Young efectivo (E) y el coeficiente de Poisson (v), entre otros.

Es conocido que cuando un sólido es alterado de su estado en reposo tiende a vibrar a unas determinadas frecuencias que dependen de multitud de factores como la composición, forma o naturaleza de la fuente de excitación. Estas frecuencias se denominan Frecuencias Naturales. Además, cada frecuencia tiene asociada una Forma Modal, que representa la manera de vibrar que tiene dicho sólido para cada frecuencia.

Por otra parte, en el Análisis Modal Operacional se considera que la fuente de excitación es una fuente de ruido blanco, por lo que no existe ninguna frecuencia dominante. Este ruido blanco procede de excitadores externos aleatorios como son los vehículos que circulan por encima del puente o el viento, cuya amplitud de señal es muy pequeña. Debido a esto, la respuesta vibracional del puente es también de una magnitud casi imperceptible, por lo que se necesita de un sistema que sea capaz de captar estos valores con una alta resolución. Asimismo, las frecuencias de vibración en estructuras lineales como los puentes pueden tomar valores de hasta el orden de 50 Hz, por lo que para cumplir con el teorema de Shannon-Nyquist se requieren frecuencias de muestreo de al menos 100 Hz.

Los inventores de la presente invención han desarrollado un dispositivo y un procedimiento para la monitorización de la socavación que superan los inconvenientes de los dispositivos y procedimientos de la técnica anterior. Además, dicho procedimiento toma en cuenta parámetros del terreno y utiliza el Análisis Modal Operacional, y ha resultado ser muy eficaz en el terrenos en la determinación y monitorización de la socavación de infraestructuras lineales tales como los puentes.

El dispositivo de la presente invención incluye elementos adecuados para obtener una caracterización muy completa de la estructura del puente, no necesita corriente eléctrica externa ni de un equipo de adquisición externo, lo que permite una monitorización en tiempo real sin necesidad de que haya personal en el punto de medición, con el consecuente ahorro en costes de recursos humanos. Es un dispositivo simple, fácil de instalar y fijar a cualquier superficie, lo que hace que se disminuya el tiempo de instalación. El dispositivo también es capaz de tener conectividad a Internet propia, haciendo posible transmitir los datos medidos a un servidor en la nube, por ejemplo, independientemente de la conectividad de la zona donde se halle la infraestructura.

Por lo tanto, en un primer aspecto, la presente invención da a conocer un dispositivo para la monitorización de socavación en infraestructuras lineales que comprende:

a) al menos un acelerómetro;

b) al menos un microprocesador o "Single Board Computer (SBC)”

c) al menos un cambiador de nivel o "Level Shifter”;

d) al menos un inclinómetro; y

e) al menos un subsistema de comunicación con conectividad a Internet.

Se entiende por acelerómetro aquel componente que registra las aceleraciones a las que se ve sometida la pila del puente y traducirlas a una magnitud eléctrica que se pueda interpretar por un procesador. Dicho acelerómetro puede ser digital o analógico, siendo los digitales un conjunto formado por uno analógico y un conversor analógico-digital integrado. Preferentemente, en la presente invención el acelerómetro es un acelerómetro triaxial analógico y dispone de un conversor analógico-digital externo más robusto para asegurar las medidas de alta resolución necesarias que se han nombrado anteriormente.

Por otra parte el microprocesador o SBC realiza las funciones de coordinación de los componentes del dispositivo de la presente invención. Dicho procesador está integrado, es de bajo consumo, de pequeño tamaño, pero posee potencia suficiente para funcionar con un sistema operativo ligero como Linux y posee conexión Wifi.

El cambiador de nivel o "level shifter” es el responsable de realizar la adaptación entre niveles lógicos de tensión. Preferentemente, el nivel de tensión se encuentra entre 3,3 y 5 V. También preferentemente el cambiador de nivel es bidireccional.

Además, el inclinómetro dota al dispositivo de la presente invención de capacidad para monitorizar la inclinación de la pila y así prever una posible situación de socavación crítica. Este componente es capaz de medir el ángulo de desfase que sufre su eje con respecto a la horizontal, basado en la acción de la fuerza de la gravedad, con un rango configurable de ±30° o ±90°, suficiente para caracterizar una posible inclinación antes del colapso de la estructura. La salida de este dispositivo puede ser tanto analógica como digital, de forma que se puede conectar a un conversor analógico-digital en caso necesario o directamente al puerto de conexión del microprocesador. Preferentemente, el inclinómetro es digital.

Opcionalmente, el dispositivo de la presente invención también puede comprender al menos un detector de bucle de inducción. Dicho detector es capaz de monitorizar el tráfico circulante por la infraestructura en tiempo real. Este detector mide los picos de magnetismo inducidos en la bobina que lo constituye producidos por el movimiento de un cuerpo metálico como el de los vehículos. Este dispositivo también permite el cálculo de la velocidad de los vehículos, siendo necesario para esta funcionalidad la disposición de al menos 2 detectores de bucles de inducción para cada sentido. Conociendo la distancia que separa ambos bucles se puede determinar la velocidad a la que circula cada vehículo midiendo el tiempo que tarda desde la activación del primer relé hasta la activación del segundo. Puede detectar indistintamente cualquier tipo de vehículo según sus ejes.

Opcionalmente, el dispositivo de la presente invención puede disponer de al menos cuatro galgas extensiométricas. Dichas galgas extensiométricas están fijadas en la base del dispositivo de forma que se consigue monitorizar también el estado tensional de la pila correspondiente a la sobrecarga de uso de la estructura. Estas galgas extensiométricas se instrumentarán mediante puentes de Wheatstone para aumentar la sensibilidad.

Además, el dispositivo de la presente invención puede tener una toma de corriente externa, o puede trabajar utilizando baterías internas o incluso puede utilizar energía fotovoltaica mediante la utilización de un panel solar.

En resumen, el dispositivo de la presente invención para la monitorización de la socavación es capaz de medir los siguientes parámetros: frecuencias propias de la estructura, factor de amortiguamiento de la estructura, vibraciones a las que está sometida la estructura, inclinación respecto a la vertical de la pila de soporte, tensión a la que está sometida la pila, deformación asociada a la tensión de la pila, flujo de vehículos por el puente, velocidad de los vehículos, momentos flectores de la pila, formas modales de la pila y las diferentes tipologías de vehículos que circulan por la infraestructura lineal.

Teniendo en cuenta lo anterior, el dispositivo de la presente invención posee una alta capacidad y versatilidad para su utilización como dispositivo de monitorización de socavación en infraestructuras. Además, es simple de instalar, permite que los costes asociados a la instalación disminuyan considerablemente dado que no hay necesidad de utilizar equipos costosos para la monitorización, permite que la monitorización sea en tiempo real y en continuo, sin ser necesaria la supervisión del sistema por parte de un operario.

En un aspecto adicional, la presente invención da a conocer un procedimiento de monitorización de la socavación de infraestructuras lineales, que utiliza el dispositivo mencionado anteriormente. En dicho procedimiento se toma en cuenta la respuesta vibratoria de la infraestructura y la interacción entre infraestructura-suelo.

El procedimiento de monitorización de la socavación de infraestructuras lineales de la presente invención comprende las siguientes etapas:

a) Instalar al menos un dispositivo para la monitorización de la socavación, tal como se ha descrito anteriormente en al menos una pila de la infraestructura;

b) Obtener datos de dicho dispositivo, por ejemplo, la aceleración, entre otros, y enviarlos a un servidor;

c) Calcular un modelo de elementos finitos calibrado y simular varios escenarios posibles con distintos niveles de socavación;

d) Obtener periódicamente las frecuencias naturales de las pilas del puente; y e) Si dicha frecuencia natural disminuye en al menos una pila es indicativo de socavación.

Tal como se describió anteriormente, los dispositivos para la monitorización de la socavación tienen la capacidad de enviar datos de forma continua, por lo que dicho procedimiento se repite de forma continua en el tiempo. Los datos obtenidos del al menos un dispositivo son enviados a un servidor, que puede estar en la nube, y es en dicho servidor donde se realiza en cálculo de elementos finitos calibrado y donde se simulan los diferentes escenarios posibles y combinaciones con distintos niveles de socavación.

Los cálculos en el servidor se realizan de la siguiente manera: una vez obtenidos los datos de los dispositivos se calcula la Densidad Espectral de Potencia Cruzada (Cross Power Spectral Density, CPSD) entre cada combinación de fragmentos en los que se ha dividido los datos. De este modo se obtiene una matriz de 3 dimensiones en la que la tercera dimensión se corresponde con las distintas frecuencias en las que se sitúan los valores de la CPSD.

La obtención de la CPSD está basada en el método de Welch, y, bien se le pueden especificar parámetros como anchura de ventana o solapado de puntos, bien se puede especificar únicamente la frecuencia de muestreo, para que el programa utilice los demás valores por defecto. Este proceso se basa en la expansión modal de la respuesta estructural:

^{M í» =} mtpm

Donde {y(0} es la respuesta estructural, [®1 es la matriz modal y ÍPÍ*)} es el vector de coordenadas modales.

La correlación para cada desfase T se obtiene como:

Siendo

la autocorrelación en coordenadas modales, E[] la media aritmética de sus argumentos, el valor de la función en un instante t, yfr r) el valor de la función en un instante t desfasado en un intervalo de tiempo r .

Y aplicando la transformada de Fourier a la ecuación anterior se obtiene la CPSD:

Siendo gpp^ la función de densidad autoespectral en coordenadas modales.

A continuación se efectúa el desacoplamiento SVD de cada matriz correspondiente a cada frecuencia (es decir, un desacoplamiento SVD para cada matriz a lo largo de la tercera dimensión) y se almacena el valor propio más significativo de cada desacoplamiento en un vector, con lo que dicho vector contendrá, al término del bucle que aplica el desacoplamiento a cada matriz, el valor propio principal asociado a cada frecuencia. De este vector se extraerán los picos, cuyas coordenadas en el eje de abscisas constituirán las frecuencias propias. Los argumentos de la función que detecta los picos están relacionados con los criterios utilizados a la hora de caracterizarlos. Se ha considerado utilizar los criterios de altura mínima de un pico para ser considerado como tal y de distancia alrededor de un pico en la que no puede existir otro.

[í7,-y íw)] = [U ][2 ][ \T

Siendo [Ul y [V] las matrices unitarias que contienen los vectores singulares y la matriz diagonal con los valores propios ordenados descendentemente.

Una vez obtenidas las frecuencias propias solo resta calcular el Factor de Amortiguamiento o Damping Ratio, siendo necesario para la realización de la Enhanced Frecuency Domain Decomposition. Para ello en primer lugar se debe obtener la función de autocorrelación del vector de valores propios principales obtenidos en el paso anterior. Una vez obtenida se debe ajustar por mínimos cuadrados a una función exponencial de la forma

siendo A una constante de ajuste, ** la pulsación natural del proceso de adquisición y K el factor de amortiguamiento o Damping ratio, obteniendo el coeficiente del exponente y / ■ 2tí

dividiéndolo por la pulsación de la frecuencia de muestreo 360 para obtener el valor del Damping Ratio.

Con objetivo de aumentar el ajuste entre la exponencial y los datos de la autocorrelación, previamente a la interpolación se realiza una detección de picos destinada a basar en estos picos la operación. En esta ocasión sólo se utiliza como criterio de distancia alrededor de un pico en la que no puede existir otro. Este criterio es importante por la morfología de la función exponencial descendente, en la que, de no establecerse, se detectarían únicamente picos alrededor de la asíntota vertical en origen.

En el caso que detecte socavación en la etapa e) mencionada anteriormente, el procedimiento de la presente invención comprende además las siguientes etapas:

f) comparar el valor de la frecuencia natural obtenida con los del modelo numérico de la etapa c); y

g) determinar el nivel real de socavación;

Una vez determinado el nivel real de socavación, el administrador de la infraestructura tiene la información suficiente para determinar las medidas correctoras necesarias para el mantenimiento adecuado de la misma.

Para su mejor comprensión se adjuntan, a título de ejemplo explicativo pero no limitativo, unas figuras de diferentes realizaciones de la presente invención.

La figura 1 muestra una vista en planta de una realización del dispositivo para la monitorización de socavación en infraestructuras lineales de la presente invención.

La figura 2 muestra una vista en perspectiva del dispositivo de la presente invención colocado en una pila de un puente.

La figura 3 muestra una vista en perspectiva de varios dispositivos de la presente invención colocados en varias pilas de un puente transmitiendo la señal a un “router”.

En una primera realización, tal como se muestra en la figura 1, el dispositivo de monitorización de socavación -1- dispone de un acelerómetro -2-, un cambiador de nivel -3-, un procesador (SBC) -4-, un inclinómetro -5-, un detector de bucle de inducción -6- y un subsistema de comunicación con conectividad a Internet -7-.

Por ejemplo, un acelerómetro adecuado para utilizar en la presente invención es el modelo 4030-002-120 del fabricante TE Connectivity Measurement Specialties, y posee las siguientes características:

Un ejemplo de cambiador de nivel adecuado para utilizar en el dispositivo de la presente invención es el modelo NTS0104PW,118, de la casa NXP, que permite una conexión entre niveles de 1,65 - 3,6 V en un lado y de 2,3 - 5,5 V en el otro. Este cambiador de nivel incorpora resistencias de Pull-Up de 10 kW, con lo que durante el montaje del prototipo no será necesario disponer estas resistencias exteriores. La adaptación de niveles en este dispositivo se realiza de forma bidireccional, lo que permite ser utilizado en protocolos bidireccionales tal como el I2C.

Por otra parte, un ejemplo de procesador SBC adecuado para su uso en la presente invención es el modelo Sitara AM3358 comercializado por Texas Instruments, EEUU. Este procesador SBC es de bajo consumo y tamaño reducido. No obstante, el Sitara AM3358 es un procesador que trabaja con niveles lógicos de tensión de 3,3V.

Un ejemplo de inclinómetro que se puede utilizar en el dispositivo de la presente invención es el inclinómetro comercial SCA61T.

Además, un ejemplo de detector de bucle de inducción adecuado para utilizar en el dispositivo de la presente invención es el modelo ProLoop2, comercializado por Bircher. Es un detector de bucle inductivo con 2 canales de entrada, con lo que un solo dispositivo es suficiente para instrumentar ambos sentidos de circulación.

La figura 2 muestra un dispositivo para la monitorización de socavación de la presente invención -1- colocado en una pila -9- de un puente. También se observa que la fuente de energía en este caso es un pequeño panel solar -8-.

Tal como se explicó anteriormente, el dispositivo de la presente invención puede ser alimentado con un cable de corriente alterna, con baterías o con energía solar.

La figura 3 muestra varios dispositivos de monitorización de socavación -1-, -1’-, -1’’-, -1’’’-dispuestos en un puente. Cada dispositivo genera un archivo con las lecturas de aceleraciones, inclinaciones y tensión/deformación de la estructura con tasas de muestreo y lo enviará a un servidor en la nube que se encargará de procesar los datos, a través de un router -10-.

Si bien la invención se ha presentado y descrito con referencia a realizaciones de la misma, se comprenderá que éstas no son limitativas de la invención, por lo que podrían ser variables múltiples detalles constructivos u otros que podrán resultar evidentes para los técnicos del sector después de interpretar la materia que se da a conocer en la presente descripción, reivindicaciones y dibujos. Así pues, todas las variantes y equivalentes quedarán incluidas dentro del alcance de la presente invención si se pueden considerar comprendidas dentro del ámbito más extenso de las siguientes reivindicaciones.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo para la para la monitorización de socavación en infraestructuras lineales caracterizado por que comprende:

a) al menos un acelerómetro;

b) al menos un microprocesador o "Single Board Computer (SBC)”

c) al menos un cambiador de nivel o "Level Shifter”;

d) al menos un inclinómetro; y

e) al menos un subsistema de comunicación con conectividad a Internet.

2. Dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho acelerómetro es un acelerómetro triaxial analógico que dispone de un conversor analógico-digital externo.

3. Dispositivo, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que dicho microprocesador está integrado, es de bajo consumo, de pequeño tamaño y posee conexión Wifi.

4. Dispositivo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho cambiador de nivel es bidireccional con un nivel de tensión entre 3,3 y 5 V.

5. Dispositivo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho inclinómetro es digital con un rango configurable de ±30° o ±90°.

6. Dispositivo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un detector de bucles de inducción.

7. Dispositivo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que opcionalmente dispone de al menos cuatro galgas extensiométricas.

8. Dispositivo, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que utiliza energía fotovoltaica mediante la utilización de un panel solar.

9. Procedimiento para la monitorización de socavación que utiliza el dispositivo, según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que comprende las etapas de:

a) instalar al menos un dispositivo para la monitorización de la socavación, según las reivindicaciones 1 a 8, en al menos una pila de la infraestructura;

b) obtener datos de dicho dispositivo, por ejemplo, la aceleración, entre otros, y enviarlos a un servidor;

c) calcular un modelo de elementos finitos calibrado y simular varios escenarios posibles con distintos niveles de socavación;

d) obtener periódicamente las frecuencias naturales de las pilas del puente; y

e) si dicha frecuencia natural disminuye en al menos una pila es indicativo de socavación.

10. Procedimiento, según la reivindicación 9, caracterizado por que en el caso que detecte socavación en la etapa e), comprende además las siguientes etapas:

f) comparar el valor de la frecuencia natural obtenida con los del modelo numérico de la etapa c); y

g) determinar el nivel real de socavación.

11. Procedimiento, según la reivindicación 10, caracterizado por que una vez determinado el nivel real de socavación en la etapa g), el administrador de la infraestructura determina las medidas correctoras necesarias para el mantenimiento adecuado de la misma, a partir de la información obtenida.