UNIVERSIDAD DE CHILE

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL

BASES METODOLÓGICAS PARA IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS DE

INSTRUMENTACIÓN Y MONITOREO DE SALUD ESTRUCTURAL EN TIEMPO
REAL DE PUENTES EN CHILE

MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

JOSÉ IGNACIO SEGUEL ANATIVIA

PROFESOR GUÍA:

RODRIGO RETAMALES SAAVEDRA

MIEMBROS DE LA COMISIÓN:

FABIÁN ROJAS BARRALES

FRANCISCO HERNÁNDEZ PRADO

SANTIAGO DE CHILE
2019
 RESUMEN DE MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL
POR: JOSÉ IGNACIO SEGUEL ANATIVA
PROF. GUÍA: RODRIGO RETAMALES SAAVEDRA

BASES METODOLÓGICAS PARA IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS DE

INSTRUMENTACIÓN Y MONITOREO DE SALUD ESTRUCTURAL EN TIEMPO
REAL DE PUENTES EN CHILE

Debido a las consecuencias provocadas por catástrofes naturales y/o por el deterioro progresivo de
la red de puentes del país, es necesario implementar sistemas de monitoreo en tiempo real que
permitan evaluar la su salud estructural de puentes (SHM, Structural Health Monitoring). La idea
detrás del concepto de SHM se relaciona a que esta técnica pudiese prevenir pérdidas de operación
de las estructuras y de la red de transporte de la cual forman parte.

La información obtenida por el sistema de monitoreo puede ser utilizada para calibrar modelos de
análisis y estimar de mejor manera el comportamiento de las estructuras ante acciones externas.
Para esto, el presente estudio realiza una revisión del estado del arte en la materia a nivel nacional
e internacional, investigando los diferentes métodos de instrumentación y análisis de datos
disponibles, a fin de adaptarlos y aplicarlos a la realidad chilena. Los resultados de la investigación
se incluyen en un documento, de carácter preliminar, orientado a estandarizar los sistemas de
monitoreo para estructuras de puentes, apuntando a una posible incorporación en el Manual de
Carreteras, el principal referente para el diseño, construcción, inspección y mantención de puentes
en Chile.

i
Agradecimientos

Son muchas las personas que han contribuido al proceso y conclusión de este trabajo. En primer
lugar, quiero agradecer al profesor Rodrigo Retamales, profesor guía que entregó su apoyo durante
todo el transcurso de este proyecto alentándome a concluirlo. Además, quiero agradecer a la
empresa Freyssinet Chile que fue la responsable de presentar este tema como tesis de pregrado,
junto con Alex Unión, representante del Ministerio de Obras Públicas que facilitó toda información
solicitada y presentó un gran interés.
Gracias a mis padres por acompañarme y darme el ánimo necesario para sacar adelante la carrera
de ingeniería civil; a Francisco, mi hermano, por los momentos de ocio; y a Camila por darme a
entender que con esfuerzo uno es capaz de cumplir todo lo que se proponga.
Un especial agradecimiento a todos los compañeros de universidad, amigos y compañeros de
escalada que han sido un apoyo mental fundamental en el transcurso de mi carrera universitaria.
Sin su apoyo este trabajo nunca se habría escrito, muchas gracias.

ii
Tabla de Contenido
Capítulo 1: Introducción

1.1 Motivación.........................................................................................................................1
1.2 Objetivo General ................................................................................................................2
1.3 Objetivos Específicos..........................................................................................................2

Capítulo 2 : Diseño Genérico de un Sistema de Monitoreo Estructural .......................................................3

2.1 Introducción .......................................................................................................................3

2.1.1 Ciclo de vida ingenieril de puentes (life cycle engineering LCE) 4
2.1.2 Diseño genérico de un Sistema de Monitoreo Estructural 5
2.2 Caracterización de Estructura ..............................................................................................6
2.2.1 Análisis de acciones 7
2.2.1.1 Cargas Estáticas 7
2.2.1.2 Cargas Dinámicas 8
2.2.2 Caracterización de las acciones 8
2.2.3 Objetivos y análisis de acciones 8
2.2.4 Descripción de diseño y construcción de la estructura. 9
2.3 Identificación del fenómeno a medir.....................................................................................9
2.3.1 Determinación de acciones basadas en dimensión, duración y efectos locales. 9
2.3.2 Determinación de acciones 10
2.3.2.1 Cargas de Viento 10
2.3.2.2 Cargas de Tráfico 11
2.3.2.3 Cargas por desplazamientos 12
2.3.2.4 Cargas de Peso 13
2.3.2.5 Cargas por impacto, vibraciones o sismos 13
2.3.3 Patrón de monitoreo 13
2.3.3 Procedimientos locales 14
2.3.4 Procedimientos Globales 14
2.3.5 Identificación de Daños 15
2.3.5.1 Objetivos y procedimientos 15
2.3.5.2 Definición de daño 15
2.3.5.3 Clasificación de daño y mecanismos de daño 16
2.3.5.4 Causas generales de daño 16
2.3.6 Niveles de identificación de daños 16
2.3.7 Definición de parámetros de rendimiento y valores límites para monitoreo 17
2.3.8 Determinación de valores límites para estabilidad y servicio 17
Capítulo 3 : Adquisición y Manejo de Datos..............................................................................................19

3.1 Selección de Sensores .......................................................................................................19

3.1.1 Acelerómetros. 19
3.1.2 Fibra óptica 22
3.1.2.1 Tipos de Fibras ópticas 22
3.1.3 GPS 24
3.1.4 Sensores de Emisiones Acústicas 26
3.1.5 Galgas extensiométricas (Strain Gauges) 28
3.1.6. Inclinómetros 29

iii
 3.2 Posicionamiento óptimo de sensores .......................................................................................................30
3.3 Sistema de Adquisición de Datos ............................................................................................................31
3.3.1 Uso y análisis de datos. 31
3.3.2 Modelos de carga. 31
3.3.3 Equipos de acondicionamiento de señales 32
3.3.4 Medidas estáticas 32
3.3.5 Medidas Dinámicas 32
3.3.6 Sistema de adquisición de datos 32
3.3.6.1 Arquitectura del sistema 33
3.3.6.2 Red de Sensores Inalámbricos 34
3.3.6.3 Tecnologías de transmisión de datos 35
3.3.6.4 Software 36
3.4 Manejo de Datos y Procesamiento de Datos ........................................................................36
3.4.1 Análisis de la señal 36
4. Análisis de Salud y Diagnóstico de la Estructura ...................................................................................37

4.1 Análisis numérico .................................................................................................................................37

4.2 Calibración de modelos estructurales ......................................................................................................37
4.3 Procedimientos Dinámicos ................................................................................................37
4.3.1 Métodos basados en la frecuencia natural 38
4.3.2 Métodos basados en la forma modal 39
4.3.3 Métodos basados en emisiones acústicas 40
4.3.4 Métodos basados en la Transformada de Fourier 40
4.3.5 Métodos basados en la transformada de Wavelet 41
4.3.6 Métodos basados en modelos autorregresivos 42
4.4 Definición de Alarmas ......................................................................................................42

5. Análisis de Tipología de puentes Nacionales ..........................................................................................44

5.1 Estudio de Red vial crítica .................................................................................................44

5.2 Análisis de daños en Tipología seleccionada .......................................................................47
5.2.1 Daños observados durante el Terremoto 27/F 47
5.3 Metodologías de Inspección de puentes ..............................................................................49
5.3.1 Manual de carreteras 49
5.4 Parámetros y clasificación de deterioros de puentes 53
5.5 Prototipo de sistema de monitoreo para tipología seleccionada 57
5.5.1 Identificación de parámetros 57
5.5.2 Selección de sensores 57
5.5.3 Sistema de adquisición de datos 61
5.5.4 Análisis de Salud y Diagnóstico 62
6. Documento técnico................................................................................................................................63

6.1 Antecedentes Generales ....................................................................................................63

6.2 Consideraciones ...............................................................................................................64
6.3 Caracterización de una estructura para fines de instrumentación ...........................................69
6.4 Selección de sensores ........................................................................................................70
6.5 Posicionamiento óptimo de sensores .......................................................................................................72
6.6 Sistema de adquisición de datos .........................................................................................73
iv
 6.7 Manejo de Datos y Procesamiento de Datos.............................................................................................74
6.8 Métodos dinámicos para el análisis de salud y diagnóstico de la estructura ............................75
6.8.1 Métodos basados en la frecuencia natural 75
6.8.2 Métodos basados en la forma modal 76
6.8.3 Métodos basados en emisiones acústicas 77
6.8.4 Métodos basados en la Transformada de Fourier 77
6.8.5 Métodos basados en la transformada de Wavelet 78
6.8.6 Métodos basados en estudio estadísticos 79
6.9 Definición de alarmas .......................................................................................................80

7. Análisis de Resultados y Conclusiones ..................................................................................................81

7.1 Análisis de Resultados ......................................................................................................81

7.2 Conclusiones ....................................................................................................................83
7.3 Recomendaciones a trabajo futuro ......................................................................................84

8. Bibliografía ..........................................................................................................................................85

Anexos ..........................................................................................................................................................91

Anexo A 91
A.1 Análisis Modal 91
A.1.2 Aplicaciones 92
A.2 Emisiones Acústicas 93
Anexo B 98
B.1 Bridge Weight in Motion 98

v
ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 2-1: FALLAS PROBABLES EN PUENTES (AHLBORN, 2010) .................................................................. 7

TABLA 3-1: RESUMEN SENSORES............................................................................................................................ 19
TABLA 3-2: COMPARACIÓN DE RED SENSORES CONECTADA E INALÁMBRICA (NOEL, ET AL., 2017). . 34
TABLA 5-1: RESUMEN DE LOS PUENTES DE LA RED VIAL NACIONAL A DICIEMBRE DE 2015. ............... 44
TABLA 5-2: RESUMEN MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN DE DIFERENTES ELEMENTOS DE LOS PUENTES
............................................................................................................................................................................ 45
TABLA 5-3: RESUMEN Y PORCENTAJE TOTAL DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN. ............................. 46
TABLA 5-4: EJEMPLO DE FICHA DE INSPECCIÓN DE PUENTES (MOP, 2012). ................................................ 50
TABLA 5-5: PARÁMETROS RELEVANTES DE DETERIOROS SEGÚN ELEMENTOS DEL PUENTE (MOP,
2019). .................................................................................................................................................................. 53
TABLA 5-6: CLASIFICACIÓN DE DETERIOROS SEGÚN ELEMENTOS DEL PUENTE (MOP, 2019). .............. 55
TABLA 6-1: PARÁMETROS DE DETERIOROS SEGÚN ELEMENTOS DEL PUENTE (MOP, 2019) ................... 65
TABLA 6-2: CLASIFICACIÓN DE DETERIOROS SEGÚN ELEMENTOS DEL PUENTE (MOP, 2019). .............. 67
TABLA 6-3: SELECCIÓN DE SENSORES. ................................................................................................................. 70

vi
Índice de Figuras
ILUSTRACIÓN 2-1 CICLO DE VIDA TÍPICO DE UNA ESTRUCTURA ................................................................ 5
ILUSTRACIÓN 2-2: CONCEPTO DE WIM (LYDON, ET AL., 2016)..................................................................... 12
ILUSTRACIÓN 2-3 MAPA CONCEPTUAL DE UN SHM (YI CHENG, 2017). ..................................................... 15
ILUSTRACIÓN 3-1: MODELO TEÓRICO DE ACELERÓMETRO MEMS (GOMEZ, 2010). ............................... 20
ILUSTRACIÓN 3-2: EJEMPLO DE ACELERÓMETRO .......................................................................................... 21
ILUSTRACIÓN 3-3: EJEMPLO DE MULTIPLEXER, FUENTE:
HTTP://WWW.MICRONOPTICS.COM/PRODUCT/OPTICAL-SENSING-INSTRUMENT-SI155/ ............. 23
ILUSTRACIÓN 3-4: COMPARACIÓN SENSORES AE: PIEZOFILM Y MEMS (YAPAR, ET AL., 2015) ............... 28
ILUSTRACIÓN 3-5: GALGA EXTENSIOMÉTRICA PARA CONCRETO. FUENTE:
HTTPS://TML.JP/E/PRODUCT/STRAIN_GAUGE/CONCRETE.HTML ....................................................... 29
ILUSTRACIÓN 5-1: REPRESENTACIÓN DE TIPOLOGÍA SELECCIONADA .................................................... 46
ILUSTRACIÓN 5-2 CARACTERIZACIÓN DE DAÑOS OBSERVADOS DURANTE TERREMOTO DEL
MAULE DEL 27 DE FEBRERO DE 2010. ....................................................................................................... 48
ILUSTRACIÓN 5-3: CAMIÓN INSPECCIÓN MOP (MOP, 2019). ............................................................................... 58
ILUSTRACIÓN 5-4: VISTA SUPERIOR DE INSTALACIÓN DE SENSORES. .......................................................... 60
ILUSTRACIÓN 5-5: VISTA CORTE A L/2, INSTALACIÓN DE SENSORES ............................................................ 61
ILUSTRACIÓN 5-6: VISTA CORTE A L/4 INSTALACIÓN DE SENSORES ............................................................. 61
ILUSTRACIÓN A.0-1: CALIFICACIÓN DE DAÑO EN CONCRETO EN FUNCIÓN DE LA RAZÓN DE
CARGA Y LA RAZÓN DE QUIETUD. ............................................................................................................ 97

vii
Capítulo 1 : Introducción

Introducción

1.1 Motivación

En la última década, se ha observado que más de 70 puentes en Chile han presentado distintos
grados de deterioro y daño causados por sismos, causados por crecidas de ríos u otros efectos
ambientales (Buckle, et al., 2012). Por esta razón, resulta recomendable implementar sistemas de
monitoreo de la salud estructural de puentes, que en caso de detectar daños, reporten en tiempo real
las posibles variaciones de propiedades nominales de la estructura (y/o el daño observado). La
detección de daño permitiría tomar medidas de mitigación tempranas como lo son intervenir o
reparar la estructura a fin de evitar la progresión de los daños y prevenir la pérdida de operación de
la red de transporte (Yangtao, 2010). Es por esto, que la propuesta de esta tesis es desarrollar un
documento que presente una revisión del estado del arte de cómo se efectúa actualmente este tipo
de monitoreo en diferentes países, con el afán de definir las tipologías de estructuras a instrumentar,
definir las características de la instrumentación a implementar, y establecer los datos a registrar y
las características del monitoreo, proceso y análisis de datos que entreguen información sobre el
estado de los puentes críticos para la operación de la red vial chilena.

El monitoreo de salud estructural, o SHM (Structural Health Monitoring), consiste en el registro

de parámetros que reflejan la condición y rendimiento de una estructura civil, permitiendo evaluar
el estado de una estructura, calibrar modelos de análisis y detectar tempranamente daños
estructurales y/o no-estructurales (Czichos, 2013).

1
Para esto, se realizará un estudio del estado del arte tanto a nivel nacional como internacional,
enfocado en países donde el sistema haya sido implementado para el monitoreo de puentes. Con la
información recopilada se desarrolla un documento que pretende proveer recomendaciones
respecto al proceso de análisis de los datos obtenidos por la instrumentación correspondiente y que
permita señalar el estado de salud actual de la estructura.

1.2 Objetivo General

Realizar un estudio preliminar de los aspectos a considerar para generar una guía de
recomendaciones para llevar a cabo el monitoreo de puentes a partir de instrumentación,
considerando el estado del arte para evaluar (estándares internacionales y documentos técnicos) la
salud estructural de puentes viales chilenos, desde los diferentes ámbitos necesarios para su
correcto funcionamiento.

1.3 Objetivos Específicos

Por consiguiente, los objetivos específicos de la memoria corresponden a:

1. Definir tipología de estructuras que requieren en forma prioritaria sistemas de monitoreo,

considerando una red vial crítica que debe presentar un funcionamiento continuo.
2. Definir una estructura que permita implementar el sistema de monitoreo en distintas etapas,
considerando requerimientos en cada una.
3. Identificar las características de los instrumentos de medición a considerar y las mediciones
que deben efectuar para estandarizar los datos a medir, como por ejemplo desplazamientos,
deformaciones, inclinaciones, asentamientos, aceleraciones, esfuerzos en la estructura y
socavación, junto con la frecuencia de medición, registro y proceso de datos.
4. Estimar posibles límites para las mediciones obtenidas, que sirvan de alerta para revisar el
estado y/o funcionamiento de la estructura y la toma de acción.

2
Capítulo 2 : Diseño Genérico de un Sistema de
Monitoreo Estructural

2.1 Introducción

Los puentes corresponden a uno de los elementos más importantes dentro de la infraestructura de
transporte a lo largo de todo el mundo, de los cuales depende la sociedad actualmente para mantener
su conectividad. Debido a su importancia, es necesario evaluar el estado y conocer la esperanza de
vida de los puentes mediante el seguimiento y la evaluación permanente de sus condiciones
estructurales. Por lo cual, se requiere monitorear las cargas y condiciones ambientales a las que se
encuentra expuesta la estructura. Para esto, existen diferentes herramientas y procedimientos que
permiten corroborar la condición de una estructura durante su construcción y operación; entre estas
técnicas se reconoce que el monitoreo de salud estructural por medio de instrumentación externa
puede ser una herramienta de vital importancia (Wenzer, 2013).

El Sistema de Monitoreo de Salud Estructural realiza una evaluación del estado de una estructura,
y uno de sus objetivos se refiere a la posible detección de daños que ocurren durante el tiempo
debido a acciones ambientales o por cargas extraordinarias como terremotos, viento fuerte, grandes
niveles de escorrentía, efectos térmicos, efectos de hielo, etc. La técnica de SHM tiene como
objetivo proveer información que represente el estado de integridad de la estructura y sus
componentes. En general, el SHM se lleva a cabo a partir de un conjunto de sensores, el uso de
sistemas de almacenamiento y transmisión de datos, y la implementación de un sistema que analice
los datos y que entregue una evaluación del estado de la estructura y sus componentes (Ahlborn,
2010). Idealmente, un sistema de SHM debiera basarse en métodos no destructivos (NDE), como
el análisis de vibraciones y emisiones acústicas, utilizado para medir los diferentes parámetros
dinámicos que describen el comportamiento de las estructuras en el tiempo.

3
La guía propuesta es tan sólo un primer documento exploratorio, tentativo y de carácter general,
que permite efectuar una descripción somera y no necesariamente detallada. La guía propuesta
presenta varias deficiencias que pudiesen ser rebatidas desde un punto de vista técnico. Por tanto,
la guía expuesta en este documento sirve como una referencia general y no debiera tomarse como
definitiva con el objetivo de llevar a cabo la implementación de posibles sistemas de SHM de
puentes. La guía de recomendaciones propuesta requiere de la revisión detallada de expertos y de
la incorporación de varias descripciones y metodologías que no han sido incluidas en el documento
expuesto.

El objetivo del monitoreo de salud estructural (SHM) es monitorear el comportamiento de una

estructura precisa y eficientemente, para verificar su rendimiento bajo diferentes cargas de servicio,
detectar daño o deterioro con el afán de determinar su condición general. Este sistema debe ser
capaz de entregar información para ser incorporada en las estrategias de mantención y manejo de
la estructura. Es necesario considerar que una menor cantidad de sensores con un análisis adecuado
de los datos es mejor que un sistema complejo de muchos sensores con un análisis deficiente.
Finalmente se puede mencionar que el SHM permitiría ahorrar capital a largo plazo y entrega
beneficios al proporcionar una evaluación directa del estado de la estructura y sus componentes
para la toma de decisiones que conciernen al ciclo de vida de un puente (Enckell, 2011).

Como referente nacional en el ámbito de la instrumentación, se puede mencionar a RENADIC, que

corresponde a la red de cobertura nacional de acelerógrafos operado por la división Estructuras-
Geotecnia de la facultad Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. Esta división
posee instrumentos en estructuras para establecer las características de movimientos sísmicos
fuerte a nivel nacional, identificar y establecer la demanda sísmica sobre estructuras y monitorear
la respuesta sísmica de sistemas estructurales.

2.1.1 Ciclo de vida ingenieril de puentes (life cycle engineering LCE)

El ciclo de vida ingenieril de los puentes comienza con la necesidad de mejorar el sistema de
transporte, debido a la demanda a la que este se ve sometido, pasando por un diseño y análisis
ingenieril, construcción, uso y desmantelación. A continuación, se describen los pasos del proceso
mencionado y sus características (Wenzer, 2013):

● Demanda: Etapa en donde se identifican los nudos críticos de un sistema de transporte en

los cuales se excede la capacidad de los elementos.
● Factibilidad: Considera un modelo detallado de desempeño de la estructura. Además, se
realizan modelos de factibilidad para identificar restricciones relevantes y establecer la
condición actual de la estructura.
● Planeamiento: Considera la toma de decisión respecto de los materiales, sistemas
estructurales y métodos constructivos a utilizar.
● Permisos: Autoridades responsables consideran parámetros socioeconómicos que pueden
afectar el proyecto.
● Contratación: Búsqueda de empresa capaz de desarrollar el proyecto de manera adecuada
y a menor precio.
● Diseño: Etapa en donde se realiza el diseño de la estructura de manera detallada.
4
 ● Construcción.
● Operación: costos de mantención, donde mantenciones preventivas suelen tener buenos
resultados. Las inspecciones visuales suelen sobreestimar los daños, lo que puede llevar a
costos innecesarios. En este contexto la SHM puede ayudar a optimizar el proceso.
● Actualización: Las cuales pueden ser optimizadas desde el modelo de desempeño.
Idealmente la estructura debería estar equipada con un sistema de monitoreo permanente.
● Intervenciones.
● Desmantelamiento.

La experiencia ha demostrado que costos (construcción, mantención, reparación) a lo largo del

ciclo de vida de los puentes pueden variar desde 150 a 500%, dependiendo de parámetros
directamente relacionados con conceptos de mantención que requieren de una inspección
técnica adecuada, como SHM, que permiten disminuir estos costos (Wenzer, 2013).

Ilustración 2-1 Ciclo de vida típico de una estructura

2.1.2 Diseño genérico de un Sistema de Monitoreo Estructural

Un sistema de monitoreo de salud estructural se basa en diferentes instrumentos, sistemas de

comunicación, análisis numéricos y computacionales, entre otros, que entregan un diagnóstico de
la estructura que se está monitoreando, con el objetivo de detectar comportamientos inusuales
indicativos del inadecuado funcionamiento de la estructura. A continuación, se describe un diseño
genérico para un sistema de monitoreo de salud estructural (Czichos, 2013):

5
1. Caracterización de la estructura: Corresponde a la etapa donde se describe la información de
diseño, cargas, mantenciones, etc., para lo cual es necesario considerar:

● Dimensiones físicas.
● Determinación de rangos esperables de deformaciones y cargas.
● Estudio de condiciones ambientales a las que se verán enfrentados los sensores.
2. Identificación del fenómeno a medir: Etapa donde se determinan los efectos internos y externos
provocados por las cargas en la estructura y se definen los puntos de la estructura donde se medirán
estos parámetros.

3. Selección de sensores: Etapa donde se debe identificar las condiciones a las cuales se verán
afectados los sensores y los sensores a utilizar.

4. Sistema de adquisición de datos: Para la implementación de este sistema, se debe considerar el

hardware, software, precisión, velocidad, resolución y el sistema de comunicación entre los
diferentes instrumentos.

5. Manejo de datos y selección del método de procesamiento de la señal: En esta etapa se realiza
una normalización y acondicionamiento de la señal, mediante filtros. Junto con esto, se pueden
representar los resultados en términos cualitativos o en forma probabilística (en caso que estos sean
variables).

6. Análisis de salud y diagnóstico: Como etapa final, se realiza un análisis de salud de la estructura,
donde los daños de mayor envergadura pueden ser detectados por métodos estadísticos, mientras
que para una detección temprana de daños se requiere de métodos de procesamiento de datos como
el análisis de wavelet, análisis modal, de vibración, entre otros. El diagnóstico apunta a clasificar
la ubicación, el tamaño y el tipo de daño. Finalmente, se deben presentar datos de manera tal que
sea comprensible y fácil de entender.

2.2 Caracterización de Estructura

La caracterización de una estructura consta del dimensionamiento de la estructura, en donde se

requiere conocer las dimensiones tanto de la estructura como de sus elementos, junto con la
inspección de ésta para conocer su condición actual, la cual se puede realizar de diversas maneras,
por ejemplo, mediante una inspección visual y/o a través de la construcción de un modelo
computacional de la estructura, y estimar cuáles serán las fallas esperables de la estructura (Wenzer,
2013), aunque existe casos de puentes antiguos donde los planos no existen y se generan
incertidumbres sobre sus mediciones, en especial de las fundaciones, las cuales no pueden ser
medidas con gran precisión. En la Tabla 2-1, se pueden observar algunos daños frecuentes de
acuerdo a los principales materiales utilizados en la construcción de los puentes (Ahlborn, 2010).

6
 Tabla 2-1: Fallas probables en puentes (Ahlborn, 2010)

Material Fallas Probables

Socavación, fisuramiento de las cepas, agrietamiento del tablero,
corrosión de armaduras, pérdida de pretensado, impacto
longitudinal entre estribo-tablero, impactos con topes sísmicos,
impactos de escombros, daño de topes sísmicos, movimiento
residuales de tableros (longitudinal o transversal), daños en
Hormigón
elastómeros, corte o deformación de barras antisísmicas,
Armado
deformación del tablero, daño por impactos debido a accidentes,
daños en juntas sísmicas, impactos entre secciones de tableros,
efectos de retracción por temperatura, efectos de filtraciones de
agua y escurrimiento, daños debido al mal uso o por efectos
externos producidos por personas, etc.

Corrosión, socavación, agrietamiento por fatiga, daño por

Acero
temperatura, daño por colisión.

Madera Efectos ambientales, insectos, contaminación química, fuego.

2.2.1Análisis de acciones

Las acciones estructurales que ocurren en una estructura corresponden a cargas, deformaciones y
desplazamientos, los cuales son resultantes de la interacción de la estructura con el ambiente al
cual se encuentra constantemente sometida. Estas acciones causan esfuerzos en los materiales y
deben estar consideradas en el diseño de la estructura.

Las acciones en una estructura se pueden clasificar como mecánicas, térmicas o físico-mecánicas,
que actúan como cargas externas o se desarrollan al interior o al exterior de la estructura. Estas
acciones pueden generar efectos de carga estáticos o dinámicos (SAMCO, 2006).

2.2.1.1 Cargas Estáticas

Una carga estática es una acción estacionaria de una fuerza o un momento que actúan sobre una
estructura. Para que sean estáticos deben poseer magnitud, dirección y punto/s de aplicación que
no varíen con el tiempo. Las cargas estáticas se pueden dividir en:

 Cargas dependientes de la estructura: incluyen cargas como peso propio de la estructura y

sus componentes, instalaciones, esfuerzos de pretensados, deslizamientos y cargas
constructivas, entre otras.
 Cargas de uso: materiales de construcción y cargas de grúas y equipos requeridos para
tareas de mantención, entre otras.

7
  Cargas medioambientales: empuje del suelo, cargas estáticas de fluidos, presión de aguas
subterráneas, nieve, hielo, temperatura, asentamiento de fundaciones y socavación de pilas,
entre otras.

2.2.1.2 Cargas Dinámicas

Las cargas dinámicas corresponden a cargas que actúan sobre una estructura de manera repentina,
variando su magnitud y ubicación en el transcurso del tiempo. Se pueden dividir en:

 Cargas de uso: tráfico, maquinaria.

 Cargas medioambientales: viento, sismos, avalanchas, agua, crecidas de ríos, impactos de
escombros, etc.
 Cargas externas: vibraciones, choques (vehículos, aviones, barcos), explosiones.

2.2.2 Caracterización de las acciones

Las acciones se pueden caracterizar como cargas muertas o carga vivas. Las cargas muertas
corresponden a acciones estacionarias con cambios lentos, como peso propio, asentamiento de
columnas, pretensado y empuje del suelo, entre otros. Por otro lado, las cargas vivas, corresponden
a acciones que no se presentan de manera permanente, pero generan cambios esenciales
frecuentemente, como viento, temperatura y nieve, etc.

2.2.3 Objetivos y análisis de acciones

Es fundamental conocer las cargas aplicadas a una estructura ya que es la base para evaluar la
capacidad de ésta, lo cual, a la vez, permite realizar y actualizar modelos computacionales que
pueden ser usados para determinar límites de fatiga y tiempo de vida residual de los componentes
de una estructura. Para esto se requiere conocer el comportamiento de la estructura a monitorear
frente a las influencias externas (cargas). Este conocimiento de la estructura permite realizar las
siguientes tareas (SAMCO, 2006):

● Desarrollar modelos estadísticos a largo plazo de las cargas de tránsito.

● Determinar factores dinámicos de cargas, conociendo el tipo, ubicación, amplitud, duración
y frecuencia de las cargas activas. En modelos más sensibles, se puede conocer los límites
de fatiga y vida residual de una estructura vulnerable.
● Mejorar modelos, que durante el diseño sólo se pueden estimar en forma aproximada.
● Concluir sobre cargas medioambientales, como excitación aerodinámica, temperatura y
cargas dinámicas como sismos.
Usualmente, no es necesario conocer todas las acciones presentes en una estructura, sino que los
cambios temporales y espaciales relacionados con el monitoreo del estado y los esfuerzos que se
8
presentan en la estructura, lo cual se aplica particularmente al análisis de daños (Czichos, 2013).
En general, las estructuras están diseñadas para no presentar daño cuando están sujetas a cargas
operacionales (o normales). Sin embargo, las estructuras pueden sufrir daños cuando se ven sujetas
a cargas extraordinarias y/o debido a acciones dinámicas que puedan generar fatiga (en la medida
que su resistencia sea baja).

2.2.4 Descripción de diseño y construcción de la estructura.

La comprobación de las características dimensionales y de construcción sirve de base para evaluar

la capacidad de carga, para mantenimiento y para chequear daños de la estructura. El propósito de
esta comprobación es registrar todos los valores geométricos necesarios para la descripción de la
estructura y su ambiente. Por ende, se deben considerar todos los elementos estructurales, junto
con la pérdida de material por corrosión u otros efectos. Una descripción correcta del sistema
permite:

● Identificar los elementos estructurales que están más solicitados.

● Identificar acoplamiento y conexiones de elementos y sus propiedades mecánicas.
● Identificar detalles constructivos.
● Determinar propiedades de los materiales.
● Evaluar funcionalidad de elementos y juntas.
● Identificar cargas existentes y su efecto espacio-temporal.
● Determinar puntos problemáticos y deficiencias.
● Identificar daños y causas.

2.3 Identificación del fenómeno a medir

Una vez se conocen las principales características de la estructura (dimensiones, cargas y estado
actual), es necesario definir cuáles serán los parámetros que se medirán, ya sea para un monitoreo
global o local de la estructura. Se requiere conocer los efectos que generan las cargas en la
estructura, dado que una vez conocidos los efectos de las cargas se pueden cuantificar las cargas.
Debido a estos efectos provocados por las cargas, se generan daños, los cuales pueden ser
independientes del tiempo (sismo, impacto) o dependientes del tiempo (corrosión, socavación), y
el monitoreo puede ser capaz de detectar daño en la estructura, localizarlo, cuantificarlo y
predecirlo dependiendo del nivel de complejidad del sistema de monitoreo (Yi Cheng, 2017).

2.3.1 Determinación de acciones basadas en dimensión, duración y efectos locales.

Las medidas necesarias para la determinación de los efectos de las cargas están ajustadas de
acuerdo con las condiciones físicas y de las cargas que han sido consideradas para el diseño
estructural o evaluación. A continuación, se analizan diferentes medidas para sus respectivas
cargas:

9
 ● Los parámetros de cargas estáticas se pueden determinar conociendo la distribución de
masa a lo largo y alto de la estructura.
● Los efectos térmicos requieren conocimiento sobre la distribución de temperatura a lo largo
de la estructura y las condiciones climáticas del lugar.
● Las fuerzas de restricciones debido a desplazamientos provocados por asentamientos o
cambios espaciales en los estribos (o cepas) usualmente son resultados de cargas constantes
y variables que ocurren simultáneamente. Para su evaluación se requiere una investigación
metrológica (dimensiones) de los respectivos desplazamientos y/o tener un modelo
geotécnico que permita predecir estos valores a partir de las cargas externas.
● La resistencia que se desarrolla en la estructura frente a cargas provocadas por viento o
agua, causan reacciones en la estructura, donde la magnitud de las cargas es función de la
energía cinética de los flujos medios (Flow media) y la superficie de transmisión (área de
contacto del flujo y la estructura). Para identificar estas acciones, es necesario establecer la
distribución de velocidades de flujo y su interacción fluido-dinámica con la estructura (agua
o viento).
● Las cargas de tráfico que tienen componentes dinámicas (al ser cargas móviles) requieren
de sistemas de mediciones para determinar sus efectos en la estructura (e.g., los puentes
chilenos suelen diseñarse para soportar la carga móvil un camión estándar HS 20-44 +20%
según el Manual de Carreteras y/o el estándar AASHTO). Generalmente se miden tensiones
y deformaciones de la estructura para comparar resultados (dado que son cargas
gravitacionales influyen en el tablero, como lo es el comportamiento de vigas pre- o pos-
tensadas). A la vez, es importante conocer el flujo de tráfico, mediante la medición de la
velocidad de movimiento y distancia entre vehículos, de manera de verificar posibles
efectos de fatiga y/o pérdida de tensado de los tendones que son empleados para vigas
pretensadas.
● Vibraciones, colisiones, explosiones y cargas sísmicas generan efectos dinámicos
correspondientes en magnitud y en propiedades dinámicas con las cargas y la estructura.
Para esto, es necesario medir velocidades y aceleraciones de vibraciones.

2.3.2 Determinación de acciones

La determinación de los efectos provocados por las acciones que afectan la estructura varía
directamente dependiendo del tipo de carga a la cual se ve afectada. Dentro de las cargas más
comunes se encuentran:

2.3.2.1 Cargas de Viento

El monitoreo de las cargas de viento corresponde a una de las aplicaciones más importantes en
puentes de grandes luces, ya que estas suelen ser las estructuras que se ven más afectadas por este
tipo de carga. En este contexto, el diseño aerodinámico de puentes colgantes y atirantados suelen
tener en cuenta un análisis riguroso como son el uso de túneles de viento en modelos a escala.

Las cargas de viento pueden ser determinadas mediante la instrumentación de pilares, mástiles o la
estructura, mediante anemómetros y veletas que permiten determinar la velocidad del viento y su

10
dirección. En conjunto se pueden usar sensores para medir la respuesta estructural debido a las
cargas de viento (como acelerómetros, strain gauges, etc.), de manera tal que se pueda determinar
los efectos del viento en el puente (Mayorga, 2016).

2.3.2.2 Cargas de Tráfico

Las cargas de tráfico generan componentes dinámicos, que producen efectos locales y globales en
los esfuerzos de la estructura. Al monitorearlas se puede conocer sus consecuencias sobre la
estructura.

Junto con esto, se determinan las cargas dinámicas de tráfico, donde los esfuerzos dinámicos son
el resultado entre la interacción de la estructura y todos los vehículos sobre ella.

Las cargas en los ejes de la estructura y configuraciones atípicas de carga en el puente pueden ser
también determinados con sistemas especializados para medir el peso de vehículos mientras ellos
circulan sobre carreteras como los sistemas WIM (weight in motion) que funcionan según lo
observado en la figura 2-2 (Lydon, et al., 2016). Los sistemas WIM, que facilitan el pesaje
automatizado de vehículos, en especial cuando el tráfico es denso, se describen en el

11
Anexo B.

Ilustración 2-2: Concepto de WIM (Lydon, et al., 2016).

Cabe mencionar que el colapso o daño de puentes debido a cargas de tráfico ha ocurrido cuando
los vehículos que transitan superan la capacidad de proporcionada por el puente, por efectos de
fatiga en algunos componentes (como puentes atirantados) y/o una combinación con efectos de
deterioro debido a acciones a largo plazo como la corrosión o asentamientos.

2.3.2.3 Cargas por desplazamientos

Las cargas por desplazamientos ya sean por elevaciones o asentamientos, provocados por cambios
en el suelo u otros, generan cargas que son, en general, proporcionales a la deformación producida
(solo para casos lineales-elásticos), por lo cual se puede determinar las cargas computacionalmente
conociendo estas deformaciones. En este contexto, los asentamientos suelen generar esfuerzos
residuales que debilitan a la estructura. Si se considera, de acuerdo a lo conversado con empresas
dedicadas a la reparación de puentes en Chile, que una de las principales fallas en los puentes del

12
país es la socavación, es necesario incorporarla dentro de las cargas a medir en los sistemas de
monitoreo estructural.

2.3.2.4 Cargas de Peso

Las cargas de peso propio se determinan a partir del volumen de los elementos estructurales y no-
estructurales, y sus respectivos pesos específicos. Estas en general no cambian significativamente
durante el tiempo, aunque en algunos casos se pueden depositar escombros, materiales y/o suelo
sobre la estructura de un puente incrementando el peso propio. En ciertas circunstancias, la
continua repavimentación de las calzadas puede incrementar el peso propio de la estructura.
Finalmente, las reparaciones y/o inclusión de elementos adicionales en la estructura pueden
incrementar en algunos casos el peso propio en comparación a lo considerado en su diseño original.

Las cargas de peso varían debido a cambios volumétricos, por ejemplo, en el caso de la carga de
nieve, que genera una capa de cierta altura sobre la estructura, y aplica una sobrecarga que es
directamente proporcional al volumen de nieve sobre la estructura.

2.3.2.5 Cargas por impacto, vibraciones o sismos

Las cargas generadas por un impacto contra la estructura provocan un intercambio de energía
cinética por energía de deformación en la estructura. En estos casos el efecto de la carga es
dinámica y puede generar un comportamiento no-lineal local, pudiendo ocasionar en algunos casos
el colapso en la medida que el daño ocasione una falla de un elemento estructural importante (e.g.,
la columna de la cepa de un puente) desencadenando el colapso progresivo del puente.

Debido a las características del país, los terremotos de intensidades capaces de dañar los
componentes o el comportamiento global de un puente, tienen un período de retorno considerable,
por lo cual es necesario considerar la posibilidad de ocurrencia de un sismo que afecte la estructura
o sistema de monitoreo, donde los instrumentos deben ser capaces de registrar los movimientos
anormales que pueden ocurrir durante el transcurso del sismo.

2.3.3 Patrón de monitoreo

En el patrón de monitoreo las acciones deben ser determinadas por mediciones de acuerdo a las
magnitudes, frecuencias, y caracterización de su distribución temporal y espacial. El monitoreo es
continuo, cíclico, dependiente de eventos o de las cargas aplicadas, donde se registran todos los
efectos con sus ubicaciones temporales, o se puede implementar umbrales de activación para que
sólo se monitoree en el caso que se sobrepasen límites preestablecidos que puedan estar asociados
a demandas significativas y/o tengan un nivel mayor al nivel de ruido o de resolución de los
sensores. Para el caso de monitoreo de variables que cambian lentamente, suele ser suficiente el
monitoreo en forma periódica.

13
2.3.3 Procedimientos locales

El monitoreo local se centra en determinar el comportamiento de los puntos vulnerables de la

estructura, que se utilizan para:

● Cuantificar el daño y analizar su progresión, permitiendo identificar las consecuencias

locales y globales presentes y futuras, por ejemplo el estudio de crecimiento de grietas
mediante fibras ópticas (Puentes, 2013), o la socavación de un puente mediante sistemas
GPS (Romero, et al., 2012).
● Analizar posibles daños mediante el monitoreo de cargas, por ejemplo, con un sistema
Weight in Motion (Myra, 2016).
● Identificar causas de daños, monitoreando los parámetros de daños y los valores que son
afectados por éste. La información de las características de daños y sus causas puede ser
obtenida mediante relaciones en un contexto temporal, al igual que mediante la magnitud
de las mediciones realizadas, cómo por ejemplo, la vigilancia de una grieta, que puede ser
afectada por temperatura, vibraciones, asentamientos u otros (SAMCO, 2006).

Para procedimientos locales, las mediciones que se usan son sensibles al tipo de daño o al efecto
de los daños mediante indicadores (ancho de grietas, esfuerzos, inclinaciones) donde se prefieren
sistemas de monitoreo permanentes que sean capaces de obtener información de la estructura
constantemente (SAMCO, 2006).

2.3.4 Procedimientos Globales

Los procedimientos globales tienen como principal función detectar la existencia de daño y
permitir localizarlo, de una manera cuantitativa, mediante la recolección de información de la
estructura como su aceleración, desplazamiento, deformación y/u otros (Yi Cheng, 2017). Si no se
conoce la existencia de daño ni la posición de éste, siempre se deben controlar los parámetros
globales de la estructura, lo que se puede desarrollar mediante monitoreo permanente y periódico,
o por ensayos de prueba. En la Ilustración 2-2 se presenta un mapa conceptual de un sistema de
SHM y se observa cómo se complementa el monitoreo global con el monitoreo local.

Existen dos frentes clásicos de métodos globales, el primero corresponde al método basado en
vibraciones de la estructura, el cual requiere de recolección de datos de aceleración, velocidad o
deformación, que mediante modelos computacionales se convierten en parámetros modales tales
como frecuencias, tasas de amortiguamientos y formas modales de la estructura. El segundo
método se basa en las deformaciones de la estructura, donde los datos de rotación, inclinación o
deformación se traducen en estados de esfuerzo-deformación que experimenta la estructura (Yi
Cheng, 2017).

14
 Ilustración 2-3 Mapa conceptual de un SHM (Yi Cheng, 2017).

2.3.5 Identificación de Daños

2.3.5.1 Objetivos y procedimientos

El propósito de la identificación de daños en una estructura es solucionar lo antes posible las

afectaciones comprendidas de la estructura. La identificación de daños permite conocer la gravedad
de estos, entregándole al ingeniero la información necesaria para conocer el estado de la estructura,
saber si se requiere de mantenimiento, o en casos extremos, detener el funcionamiento de la
estructura hasta que sea reparada, reforzada o reemplazada. Esto permite evitar riesgos y pérdidas
económicas a la sociedad.

2.3.5.2 Definición de daño

El daño se define en función de cómo este afecta el rendimiento de la estructura en el tiempo, lo

cual depende de los materiales y las propiedades geométricas de los elementos estructurales. Los
cambios en el sistema se desarrollan instantáneamente o por procesos a largo plazo. Daños

15
dependientes del tiempo se pueden acumular por períodos largos, como por ejemplo la corrosión o
la fatiga estructural. Eventos discretos como sismos y cargas vivas pueden generar daños directos.

Los daños se pueden generar localmente o se pueden reconocer como distribuidos. La severidad
de los daños se describe a través de medidas geométricas (mediciones geométricas de grietas, etc.),
por sus efectos en la capacidad de carga de la estructura o por cambios en la capacidad de disipación
de energía de un sistema.

2.3.5.3 Clasificación de daño y mecanismos de daño

Se puede definir el daño de los materiales estructurales como parcial o total, afectando la resistencia
de los componentes o de la estructura completa.

2.3.5.4 Causas generales de daño

● Sobreesfuerzo tiempo-independiente: accidentes, sismos, cargas extremadamente altas.

● Cargas regulares con resistencia reducida: debido a la baja de la resistencia de miembros
estructurales, los cuales suelen corresponder a procesos dependientes del tiempo, pueden
provocarse daños por:
o Deterioro por cargas químicas: corrosión en acero, reacción sílice alcalina en el
hormigón.
o Deterioro por cargas mecánicas: grietas submicroscópicas, crecimiento de grietas
(fatiga), corrosión en cables de pretensado.
o Deterioro por cargas físicas: daños de polímeros por radiación UV, daño de concreto
por congelamiento, daño de materiales por fuego y calor.
o Agrietamiento, encogimiento y relajación: reducción de esfuerzo de corte por
pérdida de pretensión por fluencia del hormigón.
Se puede encontrar más detalle en las ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. ¡Error!
No se encuentra el origen de la referencia. que se ubican en la sección 5.4.

2.3.6 Niveles de identificación de daños

La identificación de daños sigue los 4 niveles a continuación:

1. Detección de daño.
2. Localización.
3. Cuantificación: determinar severidad del daño.
4. Pronóstico: predicción de la vida útil de la estructura.

16
2.3.7 Definición de parámetros de rendimiento y valores límites para monitoreo

La identificación de grandes cargas y parámetros de resistencia en la estructura debido a cargas de

tráfico o acciones ambientales (terremotos, tormentas, etc.) es necesaria, ya que estos eventos
pueden generar daños considerables a la estructura. Para medir estos eventos, hay que considerar
definir ciertos límites, que gatillen el registro de estos fenómenos, junto con su duración y valores
máximos (SAMCO, 2006).

Para determinar los efectos de las cargas, se pueden realizar las siguientes tareas:

● Monitoreo del efecto de cargas dinámicas y estáticas.

● Determinación de los efectos de cargas dinámicas.
● Clasificación de los efectos de cargas (análisis de esfuerzos permanentes).
● Determinación de esfuerzos extremos y la frecuencia de ocurrencia.
Tras la observación permanente, se pueden realizar las siguientes tareas:

● Evaluación de la vida restante.

● Evaluación de la seguridad estructural actual.
● Determinación de períodos de mantención.
El estado actual de la estructura se evalúa mediante:

● Mediciones de esfuerzos, deflexión, curvatura e inclinación en lugares determinados, que

permiten conocer el estado del asentamiento en fundaciones y cambios globales de la
rigidez, entre otros parámetros.
● Observación de frecuencias naturales de la estructura, que muestra cambios en la rigidez
global.
● Monitoreo selectivo de cambios en los modos de vibrar.
Las mediciones de parámetros locales corresponden a:

● Evaluación de longitud y ancho de grietas.

● Observación de zonas estructurales con peligro de agrietamiento.
● Tensiones en puntos donde se concentran los esfuerzos.
● Deflexión estática y vibraciones que generan desplazamientos.
● Asentamientos de fundaciones.

2.3.8 Determinación de valores límites para estabilidad y servicio

Los valores límites para estabilidad y servicio se pueden obtener por desarrollos numéricos, a partir
de datos experimentales, códigos, estándares y guías, como en el caso del estándar AASHTO
(America Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO, 2017) o del
Manual de Carreteras (MOP, 2012). Mayores detalles se presentan en la sección 6.9 referida a
Definición de alarmas.
17
Estabilidad: La cual debe ser asegurada con el límite de estado último. Los cambios globales de
posicionamiento por asentamiento e inclinación de fundaciones deben ser limitados por el estado
límite de servicio, los cuales pueden obtenerse por modelos estructurales que deben considerar
todas las condiciones de borde.

Servicio: los límites de deformación y vibración en servicio están regulados en códigos, estándares
y guías, lo cual es importante para estructuras donde las deformaciones provocadas por las cargas
afectan la serviciabilidad. A pesar de esto, los límites para deformación y comportamiento
dinámico se pueden considerar discretos. Para asegurar la durabilidad es necesario limitar
deformaciones, esfuerzos y daños tales como grietas.

18
 Capítulo 3 : Adquisición y Manejo de Datos

3.1 Selección de Sensores

Para monitorear la salud estructural de un puente, es necesario conocer su comportamiento

mediante sensores. Existe una gran diversidad de sensores en el mercado actual para la aplicación
en un sistema de monitoreo de puentes. A continuación, se presenta la Tabla 3-1 con las principales
características de los sensores más utilizados en aplicaciones reales.

Tabla 3-1: Resumen sensores

Sensor Acelerómetros Fibras Ópticas GPS Sensor AE Strain Gauges Inclinómetros

Desplazamientos,
localización de
Fenómeno a Aceleración Emisiones
grietas, esfuerzos, Desplazamientos Esfuerzos Inclinaciones
medir absoluta acústicas
inclinación,
temperatura.

Monitoreo Global/local Global/Local Global Local Global/Local Global/Local

Instalación Simple Compleja Simple Compleja Simple Simple

Deformaciones:
±1.2 (µƐ), H:±5 (mm), V:±10
Precisión ±0.001 (g) ±1.5 (dB) ±1.2 (µƐ) 0.005°
Aceleración 0.1 (mm)
(g)
Alimentación DC: 5 (V) AC/DC AC/DC AC/DC AC/DC AC/DC
Deformaciones:
Rango de ±2500µƐ, H:±3 (mm), V:±5
±1.7, ±5, ±18 (g) -63/80 (dB) ±1.2 (µƐ) ±3°
mediciones Aceleraciones: (mm)
±10g
Sensible a
Mediciones
Análisis de datos Frecuencias Sensible a ruido cambios de
Limitaciones menores a 0.2
complejo menores a 20 (Hz) ambiental temperatura
(Hz)
ambiental
Utilización de
Requisitos Requerimiento de Base de Radio varios sensores
Sin requisitos Sin requisitos Sin requisitos
técnicos multi-plexer externa para identificar
fallas

3.1.1 Acelerómetros.

Los acelerómetros corresponden a instrumentos que permiten determinar la aceleración que

experimentan puntos específicos de las estructuras, debido a vibraciones generadas por cargas

19
dinámicas. Es necesario considerar que la señal de los acelerómetros es dependiente de cada
instrumento, pero todos estos típicamente presentan inconvenientes para registrar vibraciones con
frecuencias menores a 0.2 Hz, presentando dificultades para determinar aceleraciones en puentes
de grandes luces (Meng, et al., 2007). Los acelerómetros se usan para detectar vibraciones de alta
frecuencia generadas por cargas dinámicas tales como tráfico o viento (Meng, et al., 2007), en
especial, presentan un mejor funcionamiento con las mediciones que tienen frecuencias mayores a
20 Hz.

Los acelerómetros se utilizan a la vez en el análisis global de monitoreo estructural donde se realiza
una evaluación junto con métodos de procesamiento de señales (análisis de Fourier, filtros,
transformada de Wavelet, entre otros), para conocer si la estructura presenta o no daños (Lych &
Loh, 2006). Este es el método convencional para estudios dinámicos o monitoreo de estructuras de
gran escala.

Uno de los acelerómetros más utilizados en SHM corresponden a los acelerómetros capacitivos o
MEMS (Micro Electro Mechanical System), los cuales son desarrollados utilizando técnicas de
fabricación microelectrónicas que, debido a su bajo costo y su rango de frecuencias altas, se han
presentado como uno de los instrumentos más utilizados en SHM para determinar parámetros
físicos como aceleración (Ahlborn, 2010). El funcionamiento de los acelerómetros MEMS, como
se puede observar en la imagen 3-1, se basa en que la medición de aceleración puede realizarse
midiendo la fuerza necesaria para acelerar un objeto de masa conocida, donde al conocer su
desplazamiento y la fuerza que se le aplica al instrumento, se puede conocer la aceleración del
objeto vibrante (Gomez, 2010).

Un sensor capacitivo, como se muestra en la imagen 3-1, provee un voltaje de salida que depende
de la distancia entre dos superficies planas. Una de las placas es cargada con carga eléctrica. De
esta forma, al cambiar la distancia entre las placas, la capacidad eléctrica del sistema cambia, el
cual puede ser medido como un cambio en el voltaje. Los acelerómetros capacitivos proveen un
alto grado de precisión y estabilidad, siendo menos susceptible a ruido o variaciones de
temperatura. En general, poseen un ancho de banda adecuado (para aplicaciones sísmicas).

Ilustración 3-1: Modelo teórico de acelerómetro MEMS (Gomez, 2010).

Algunos modelos utilizados en SHM corresponden al acelerómetro capacitivo Episensor (ES-U2)

desarrollado por Kinemetrics, que corresponde a un sensor uniaxial diseñado primordialmente para
la aplicación en estructuras ingenieriles , capaz de medir hasta ±4g y hasta un mínimo del ruido
20
ambiental, con rangos de ±0.25g hasta ±4g, con una precisión de 0.001g
(https://kinemetrics.com/post_products/episensor-es-u2/).

Ilustración 3-2: Ejemplo de Acelerómetro

Otro modelo de acelerómetros corresponde a un acelerómetro triaxial MEMS con una tarjeta
inalámbrica emisora de datos, correspondiente al modelo MMA7456L de “NPX Semiconductors”,
de baja potencia que incluye un filtro pasa-bajos, compensación de temperatura y diferentes
sensibilidades (±2g, ±4g, ±8g). La tesis de (Gomez, 2010), valida la utilización de estos
acelerómetros para la medición fiable de las aceleraciones de una estructura.

Para mejorar el rango de los acelerómetros, en especial con frecuencias bajas, se puede conectar
un acelerómetro con un instrumento GPS, los cuales presentan mejores mediciones en frecuencias
menores a 0.2 Hz, en comparación con los acelerómetros. Para evitar el movimiento relativo de
ambos instrumentos y para reducir la complejidad del análisis de datos, ambos sensores deben estar
conectados uno al otro (Roberts, et al., 2001).

Entre las consideraciones para elegir el tipo de acelerómetro a incorporar dentro del sistema de
monitoreo es necesario que el rango dinámico del acelerómetro sea mayor al rango de amplitud de
vibraciones esperado de la estructura, mientras que el rango de frecuencias del instrumento debe
ajustarse al rango de frecuencia esperado. Finalmente, se recomienda utilizar acelerómetros de baja
sensibilidad para vibraciones de alta amplitud, mientras que para vibraciones de baja amplitud se
recomiendan acelerómetros de alta sensibilidad.

21
3.1.2 Fibra óptica

Estos instrumentos corresponden a una hebra delgada de material dieléctrico que es capaz de
conducir y transmitir impulsos luminosos de un extremo al otro, los cuales son insensibles a
interferencias electromagnéticas, son livianos, flexibles, libres de corrosión, permiten realizar un
monitoreo continuo y presentan una baja pérdida de transmisión (Casas & Cruz, 2003).

Una de las propiedades que permite que las fibras ópticas sean ideales para SHM es que la
intensidad de la luz de la señal óptica disminuye cuando la fibra es tensada perpendicularmente a
su largo, donde la intensidad de la luz puede aumentar o disminuir si la fibra se comprime o estira,
permitiendo ser un indicador de esfuerzos o desplazamientos (Casas & Cruz, 2003). Para
determinar el esfuerzo que experimenta la fibra óptica, la señal forzada se compara con una señal
no forzada con la misma temperatura.

Una fibra óptica está compuesta por tres elementos principales: el núcleo, el revestimiento y la
capa protectora. El revestimiento refleja la onda de luz de regreso al núcleo, asegurando la
transmisión de la luz en el núcleo. Esta acción es posible debido a un índice refractivo más alto en
el núcleo con relación al revestimiento, lo que provoca una total reflexión interna de luz. La capa
protectora sirve para proteger la fibra de condiciones externas y daños físicos (National
Instruments, 2010).

3.1.2.1 Tipos de Fibras ópticas

1) OTDR: “Optical Time-Domain Reflectometry”

La técnica “Optical Time-Domain Reflectometry” (OTDR), permite determinar desplazamientos a

lo largo de la estructura, mediante el cambio en la longitud de la fibra el cual se mide a través de
los cambios de la intensidad del haz de luz y su tiempo de viaje, la cual, a la vez, obtiene
propiedades intrínsecas de las fibras ópticas, tales como la intensidad, frecuencia y polarización
(Casas & Cruz, 2003).

Las fibras OTDR se pueden utilizar para la detección y localización de grietas. Para esto se adhiere
la fibra a la estructura con un cierto ángulo de inclinación respecto a la dirección en la que se espera
la formación de grietas (es necesario estimar la dirección de las grietas). Al abrirse la grieta, esta
forzará a la fibra a flexionarse, lo que provocará pérdidas en la potencia de la luz y gracias al uso
de OTDR se pueden localizar las grietas basándose en el tiempo en que ocurre la pérdida de
potencia (PITRA, 2013).

Una de las técnicas utilizadas para aumentar el rango de las fibras OTDR, es la aplicación de la
dispersión de Brillouin, definiendo la técnica BOTDR (Brillouin Optical Time Domain
Reflectometry), que además presenta la ventaja de poder monitorear la estructura a lo largo de todo
el sensor (distribuido). Esta técnica permite medir temperatura y esfuerzos a lo largo de la
estructura, pero solo permite medir una distancia de un metro, por lo cual solo sirve para un
monitoreo local (Barrias, et al., 2016).

2) FBG: Fibras Bragg Grating

22
Estas fibras corresponden a uno de los sensores ópticos más versátiles y utilizados dentro del
monitoreo estructural (Navarro, 2014). Estos sensores utilizan las rejillas de Bragg (Bragg Grating)
como un filtro selectivo de longitud de onda de luz, que refleja solo aquella parte del espectro de
luz que satisface las condiciones entregadas.

Un sistema de sensores de fibra óptica FBG se compone de al menos (Micron Optics, Inc, 2012):

 Fuente y detector de luz.

 Sensores de fibra óptica FBG.
 Fibra óptica y accesorios para la interconexión de la fibra.
El principio del funcionamiento del sistema óptico consiste en que los elementos sensores de fibra
óptica FBG modulan algún parámetro de la señal enviada desde la fuente de luz (intensidad,
longitud de onda, polarización), lo cual da lugar a un cambio en las características de la señal óptica
recibida en el detector de luz. La fuente y el detector de luz del sistema se incorporan en un equipo
denominado Interrogador Óptico. El interrogador óptico más común corresponde a Multiplexación
por División de Longitud de onda (WDM, siglas en inglés de Wavelength Division Multiplexing),
ya que presenta un mayor alcance, una mayor capacidad de sensores y la posibilidad de interrogar
simultáneamente múltiples fibras. En la imagen 3-3 (Navarro, 2014) se puede observar un ejemplo
de interrogador óptico (multiplexer) (http://www.micronoptics.com/product/optical-sensing-
instrument-si155/). Junto con este interrogador se suelen incluir un Multiplexer, instrumento que
transmite la señal emitida desde el interrogador a varios sensores ópticos (Xiao, et al., 2017).

Ilustración 3-3: Ejemplo de Multiplexer, Fuente:

http://www.micronoptics.com/product/optical-sensing-instrument-si155/

Estas fibras FBG son usadas para determinar micro deformaciones o también como sensores
espectrométricos, los cuales obtienen medidas absolutas de cambios en la frecuencia de la señal
óptica para evaluar esfuerzos mecánicos y térmicos de la fibra. Las fibras FBG permiten el análisis
de múltiples parámetros a lo largo de una estructura en tiempo real, al utilizar la técnica llamada
“multiplexing” que corresponde a colocar varias rejillas de Bragg a lo largo de la fibra (Chan, et
al., 2006). Ejemplos de aplicación se pueden encontrar en
http://www.micronoptics.com/product/fiber-bragg-grating-os1100/.

Las FBG son sensibles a la temperatura y esfuerzos y deben ser separados de los cambios en las
propiedades ópticas de las fibras. Las FBG también pueden ser utilizadas como Inclinómetros, ya

23
que ofrecen mayor precisión que otras técnicas y poseen la capacidad de medir en diferentes puntos
a la vez (multiplexing). La temperatura y esfuerzos se compensan mediante una segunda fibra,
entonces, al saber que los cambios que ocurren de igual manera en ambas fibras se considerarán
como cambios por temperatura y pueden ser ignorados, mientras que los cambios diferidos entre
ambas fibras serían un indicador de la inclinación del cable (Casas & Cruz, 2003)

Las FBG que miden inclinaciones detectan la rotación y deflexión de la estructura y también
pueden determinar las propiedades dinámicas mediante el procesamiento de la señal (por ejemplo,
el instrumento FBG-TI-310 inclinómetro,
http://www.fbg.co.kr/eng/bbs/board.php?bo_table=fbgp04&wr_id=1). Estos sensores presentan
una alta precisión, permitiendo medir continuamente y a largo plazo, un sistema de compensación
de temperatura y un rango de 8, 5 o 3 grados dependiente del uso. Gracias a un análisis de la FFT
(Fast Fourier Transform) de la señal de vibraciones de la estructura, se pueden obtener las
principales frecuencias naturales de las estructuras (Xiao, et al., 2017).

En el mercado se pueden encontrar actualmente diferentes fibras, a saber:

Las fibras de Micron Optics Inc. tales como Os 3155 permiten medir esfuerzos dentro de la
estructura, el Os 5100 que mide desplazamientos y el Os 7100 que mide aceleraciones en uno, dos
o tres ejes dependiendo de su configuración. Las frecuencias de las aceleraciones pueden variar
desde 0 a 300 Hz, lo que permite realizar un monitoreo dinámico de la estructura (Navarro, 2014).

Otro método de uso de las fibras ópticas es como sensores interferométricos, que sirven para medir
variaciones de esfuerzos y temperatura. Este sistema corresponde a dos fibras, donde una sirve
como referencia para la comparación con la otra fibra (Barrias, et al., 2016).

Las ventajas de los sensores de fibra óptica es que son ideales para SHM de estructuras de hormigón
armado debido a que son estables, con una sensibilidad adecuada (hasta 2µm), son sensibles a la
dirección del cambio paramétrico, insensibles a perturbaciones electromagnéticas, capaces de
medir varios puntos a la vez y duraderos. Dentro de los diferentes tipos, los FBG son los que
presentan una mayor ventaja ya que entregan una respuesta lineal y no requieren de calibración
(Chan, et al., 2006), y una de sus principales desventajas sería el costo de operación.

3.1.3 GPS

El sistema GPS (Global Positioning System) permite conocer los desplazamientos absolutos de la
estructura. Este sistema se compone de 3 partes: los satélites que orbitan la Tierra, estaciones de
control y monitoreo, y el receptor de señal GPS de cada usuario. Se utiliza el concepto de
triangulación para determinar la ubicación del GPS, para lo cual es necesario conocer la ubicación
de los satélites. Estos satélites transmiten continuamente su posición (xi, yi, zi). La distancia entre
el satélite y el receptor se calcula en base al tiempo de viaje de la señal electromagnética desde el
satélite hasta el receptor, y al conocer la distancia entre el receptor y por lo menos 4 satélites, se
puede determinar la ubicación del receptor en la Tierra (Romero, et al., 2012).

Existen técnicas estáticas, cuasi-estáticas y cinemáticas en tiempo real (RTK Real-Time

Kinematic), en donde la última se ha desarrollado en el ámbito de SHM. Para esta técnica, se agrega

24
una estación de referencia, que calcula la diferencia entre su posición, previamente obtenida, y la
posición obtenida por el sistema de satélites. Las diferencias detectadas se indican como errores,
los cuales son enviados al receptor para mejorar su precisión (Yi, et al., 2010).

La precisión de los sistemas GPS para movimientos dinámicos depende de varios factores como la
razón de muestreo, el rango de cobertura de los satélites, el efecto atmosférico y los métodos de
procesamiento del GPS. Se ha demostrado que la habilidad de los sistemas GPS para el análisis de
señales con una frecuencia menor a 2 Hz y amplitudes mayores a 2 cm son lo suficientemente
precisas para ser incluidas dentro de los estudios de SHM (Meng, 2002).

Dentro de las ventajas de este sistema se podría mencionar que (Yi, et al., 2010):

 El receptor de la señal GPS funciona continuamente frente a cualquier clima.

 Precisión de 5 mm en el plano horizontal y 10 mm en el eje vertical (Gomez, 2010).
 Tiempo de respuesta de alta precisión de 0.05 s.
Estudios han demostrado que se pueden obtener las propiedades dinámicas de puentes, como
frecuencias naturales y formas modales, mediante la aplicación de sistemas de GPS RTK y métodos
de análisis de la señal como la transformada de Wavelet y el algoritmo ERA (Eigensystem
realisation algorithm, descrito en Meo et al. (2006). También se comprobó que el sistema GPS es
una forma apropiada para monitorear grandes deflexiones en estructuras con bajas frecuencias de
vibración (Romero, et al., 2012). Es necesario mencionar que los GPS dinámicos presentan un
costo de adquisición alto, y se presentan diferentes métodos de funcionamiento de los instrumentos
en Kaloop et al. (2017).

Resultados experimentales han demostrado la eficiencia de los sensores GPS para medir
desplazamientos por deformaciones térmicas, movimientos de corto y largo plazo y asentamientos
de las fundaciones de estructuras civiles con una resolución de 5 mm para GPS estáticos y 10 mm
para GPS dinámicos (Meng, 2002).

Como principal desventaja del sistema, se puede mencionar que las medidas obtenidas por los
sistemas de GPS son afectadas por Multipath (método utilizado para transmisión de información
entre sensores y satélites), el cual es la principal fuente de errores de las mediciones del sistema, y
por ende, las limitaciones del GPS.

Al implementar un sistema integrado de un receptor GPS con un acelerómetro, las frecuencias

medidas pueden llegar hasta los 100 Hz, haciendo el sistema de medición más flexible (Meng,
2002).

Para el estudio de la deformación de un puente, se suele aplicar el sistema GPS RTK, el cual
requiere de dos sensores, uno cumple la función de base (referencia) y el otro de Rover (móvil).
Como ejemplos de instrumentos utilizados en el monitoreo estructural, se destacan las marcas
“Leica geosystem”, “TOPCON” y “Trimble” con modelos como Topcon GR-3, Trimble 4800,
Trimble R8 GNSS o Leica GS18 T. (https://leica-geosystems.com/es-cl/products/gnss-
systems/smart-antennas/leica-gs18-t; http://pdf.directindustry.es/pdf-en/topcon/gr-3/22494-
445425.html#open) (Romero, et al., 2012). En la Ilustración 3-4, se observa un ejemplo de un
sensor GPS con tecnología MEMS.

25
 Ilustración 3-4: Sensor GPS MEMS
Fuente: https://convertronic.net/semiconductores/

Debido a que los sistemas GPS dependen directamente de los satélites, existen softwares
computacionales que permiten identificar el momento en donde la posición de los satélites es la
que más favorece las mediciones (Mission Planning, por ejemplo) (Romero, et al., 2012).

Para el análisis de los datos GNSS (Global Navigation Satellite System), al cual pertenecen los
datos GPS, existen diferentes softwares comerciales que procesan la información obtenida por los
sensores, cómo por ejemplo, “Leica Office”, “Topcon Tools”, “Ashtech Solutions” y “TGO”
(Romero, et al., 2012).

3.1.4 Sensores de Emisiones Acústicas

Los sensores de emisiones acústicas se basan en la detección de pequeñas ráfagas de energía

llamadas emisiones acústicas. Esta liberación de energía causa ondas de sonido que se transmiten
a lo largo de la estructura que pueden ser detectados por sensores piezoeléctricos, colocados
estratégicamente en la estructura, llamados sensores receptores acústicos. Los sensores convierten
las ondas de sonido en una señal eléctrica, para luego procesar la señal. El procesamiento adecuado
de una o más señales permite la detección de daño y su localización (Yapar, et al., 2015). En
general, la señal es afectada por las características de la fuente de las emisiones acústicas, el camino
recorrido por la señal desde la fuente al sensor (material de la estructura) y las características del
sensor (Noorsuhada, 2016).

La adquisición de datos de los sensores de emisiones acústicas suele estar basada en límites, en
donde al momento en que el nivel de decibeles de la señal de llegada supera el límite previamente
definido, se graba la información del sensor. Esto es debido a la alta cantidad de información que
recolectan los sensores de EA (Saboonchi, et al., 2016). La definición de límites también sirve para
filtrar ruido ambiental en la señal (Noorsuhada, 2016). Se suele usar límites de 60 dB para activar
la grabación de la data obtenida por el sensor (Worley, et al., 2019).

Para poder determinar las características de la fuente de AE, es necesario que el sensor detecte los
siguientes parámetros: amplitud, duración de la señal, energía, frecuencia, la cantidad de veces que
se supera el límite definido, y el tiempo entre la primera vez que se supera el límite con la amplitud
máxima alcanzada. Dentro de los parámetros más relevantes de las emisiones acústicas se puede
26
mencionar la amplitud de la señal, correspondiente a uno de los elementos más importantes para
caracterizar la señal, y la duración de la señal que sirve para caracterizar el surgimiento de grietas
y su crecimiento (Noorsuhada, 2016).

Para detectar las fallas, se requiere de un conjunto de sensores que detecten la señal y determinen
el tiempo de viaje de la señal, para que esta pueda ser triangulada al origen de la señal, como se
observa en la Ilustración 3-6.

Ilustración 3-5: Triangulación de señal AE: (a) Formación de grieta, (b) Emisión de AE, y
(c) Localización de fuente mediante triangulación (Worley, et al., 2019)

Es necesario mencionar que los sensores AE corresponden a sensores útiles para un sistema de
monitoreo local, lo que a la vez les permite detectar daño antes que otros métodos de monitoreo e
inspección visual (Saboonchi, et al., 2016). Para la detección de fallas locales, como la formación
y crecimiento de grietas, se requiere de sensores AE altamente sensibles, y uno de los principales
desafíos corresponde a la influencia del ruido ambiental en las señales, el cual puede interferir la
señal proveniente de la falla y evitar que los sensores puedan detectarlas (Saboonchi, et al., 2016).
Los sensores AE también son capaces de detectar y evaluar fallas en las barras pretensadas en
puentes de hormigón, según (Yuyama, et al., 2006).

27
Para el monitoreo estructural, se pueden utilizar sensores AE piezofilm o MEMS, donde los
sensores piezofilm pueden detectar mayores amplitudes y más rápido, pero son más sensibles al
ruido ambiental, lo que hace que los sensores MEMS puedan detectar el origen y crecimiento de
grietas de mejor manera. Otra diferencia relevante corresponde al tamaño de los sensores, como se
observa en la ilustración 3-6 que se presenta a continuación. En la imagen de la izquierda, se
presenta un sensor piezofilm de dimensiones 2x2x2 cm, mientras que a la derecha, se muestra un
sensor MEMS de 1x1x0.5 cm el cual contiene 4 sensores AE, 8 sensores de esfuerzos y
acelerómetros dentro de la placa MEMS (Saboonchi, et al., 2016).

Ilustración 3-4: Comparación sensores AE: Piezofilm y MEMS (Yapar, et al., 2015)
Como uno de los sensores piezofilm utilizados en el mercado para detectar información de
emisiones acústicas, se pueden mencionar el Modelo MISTRAS R15-α de “Physical Acoustics”,
junto con el sistema de adquisición de datos MISTRAS 1283 USB AE (Yapar, et al., 2015)
(https://www.physicalacoustics.com/by-product/sensors/R15a-150-kHz-General-Purpose-AE-
Sensor).

3.1.5 Galgas extensiométricas (Strain Gauges)

El sensor utilizado para el registro de las deformaciones recibe el nombre de Galga extensiométrica,
la cual está compuesta principalmente por un filamento de un material conductor, que permite
conocer la deformación experimentada por el elemento al cual se encuentra adherido. Las galgas
suelen colocarse en la superficie de los componentes estructurales, presentando cambios en su largo
al momento en que estos componentes se deformen (Dong, et al., 2010). Las galgas
extensiométricas se basan en el principio que, ante un esfuerzo de tracción o compresión, el área
transversal del filamento será minorada o mayorada produciendo una variación en su resistencia
eléctrica, siendo posible relacionar el cambio de la resistencia con la variación en su longitud
(Catteneo, 2009).

La manera más adecuada para determinar el efecto de cargas vivas en una estructura es medir las
deformaciones en elementos críticos previamente determinados y aplicar procedimientos para

28
evaluar la vida restante de los elementos estructurales, como los mencionados por guías
norteamericanas (American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO,
2003).

Como consideración, es necesario mencionar que los sensores utilizan filamentos para disminuir
los efectos de expansión térmica, pero resulta imposible eliminar por completo estos efectos, por
lo que es necesario prestar atención a las condiciones a las cuales se verá expuesto el sensor.

El uso de strain gauges permite obtener deformaciones del orden del microstrain (μɛ= ɛ·10 ). Este
nivel de deformaciones, que corresponde a una variación mínima en la resistencia del sensor,
resulta imposible de medir directamente, por lo tanto, se requiere de un sistema que garantice la
correcta adquisición de datos, como un óhmetro digital (Catteneo, 2009).

Como ejemplo, se puede mencionar el strain gauge Tokyo Sokki Kenkyujp, modelo PFL-20-11 o
cualquier otro instrumento de la serie P, los cuales sirven para determinar esfuerzos en elementos
de hormigón reforzado (https://tml.jp/e/product/strain_gauge/concrete.html). El modelo,
presentado en la ilutración 3-7, mencionado puede funcionar en temperaturas de -20° a 80°C, y con
una resistencia 102 Ω (Catteneo, 2009).

Ilustración 3-5: Galga extensiométrica para concreto. Fuente:

https://tml.jp/e/product/strain_gauge/concrete.html

3.1.6. Inclinómetros

Los sensores inclinómetros están compuestos por dos cúpulas herméticamente cerradas separadas
aproximadamente 1/8”. En la cúpula inferior de poliéster se encuentran 4 placas capacitivas
mientras que la cúpula superior es de aluminio. Un líquido con alta constante dieléctrica se sella

29
dentro de la cúpula dejando una burbuja de aire, la cual está centrada a nivel de posición y se mueve
de un lado a otro cuando el dispositivo se inclina (Serna, 2011).

Los inclinómetros permiten monitorear los movimientos y rotaciones estructurales de hasta 0.005°
(Meng & Ansari, 2013) y un rango de ±3°, permitiendo medir las deflexiones de un puente bajo
condiciones de tráfico normales. Como ventaja, se puede mencionar que los inclinómetros son
altamente sensibles, confiables, de menor costo y fácil instalación. En la literatura se pueden
encontrar métodos para calcular los desplazamientos verticales de una estructura mediante las
medidas obtenidas por inclinómetros (Zhang, et al., 2017). La tecnología MEMS también se ve
presente en los inclinómetros, permitiendo utilizar sensores de menor tamaño y con una menor
demanda de energía, donde un inclinómetro puede funcionar hasta 1.5 años con baterías de 3.6 V
(Hoult, et al., 2010).

En la Ilustración 3-9 se observa un inclinómetro MEMS de dos ejes que entrega valores análogos
que son convertidos por un convertidor ADC dentro del mismo sensor. El sensor consiste en dos
inclinómetros con sentidos perpendiculares y un módulo de procesamiento para convertir y
transferir la data, con un diámetro final de 50 mm y 78 mm de alto. El desarrollo del sensor se
encuentra en (Woong, et al., 2013).

Ilustración 3-8: Inclinómetro MEMS (Woong, et al., 2013)

3.2 Posicionamiento óptimo de sensores

El posicionamiento óptimo de sensores (OSP por sus siglas en inglés) es uno de los puntos
relevantes a considerar al momento del monitoreo vibratorio de una estructura, donde existen
diferentes métodos que son utilizados para estimar los parámetros modales basados en la respuesta
vibratoria de la estructura. Las técnicas de OPS pueden ser utilizadas eficientemente para la
implementación de un SHM práctico, al eliminar data redundante de sensores, eliminando el
número de sensores requeridos o al enfatizar cual información requiere más atención en el análisis
(BinBin, et al., 2011).

30
Para optimizar el uso de técnicas OPS, se deben identificar el mínimo de sensores requeridos para
caracterizar las formas modales deseadas. El objetivo de esta optimización es minimizar la cantidad
de sensores y localizarlos adecuadamente, lo que se estima útil al generar una menor cantidad de
data, pero asegurando su calidad al momento de describir las formas modales de la estructura y
disminuyendo el costo de instalación y mantenimiento de los sensores (Chang & Pakzad, 2014).

Las técnicas de OPS se pueden considerar como un problema de combinatoria que puede ser
generalizado como “dado una cierta cantidad n de puntos candidatos, encontrar m ubicaciones,
donde m < n, los cuales puedan generar el mejor desempeño para monitorear la estructura” (Ti &
Li, 2012). Existen diferentes técnicas de OSP, las cuales se describen a continuación (BinBin, et
al., 2011), (Chan, et al., 2006):

 Método EI: El método EI (Effective Influence) es uno de los métodos más utilizados en
técnicas de ensayos dinámicos y actualización de modelos estructurales, junto con el
posicionamiento adecuado de n sensores en una estructura. El método se basa en
determinar un índice de EI para cada posición de los sensores, el cual representa la
contribución respectiva de cada sensor para la identificación de las formas modales.
 Método EI-DPR: El coeficiente DPR (driving point residue) se incorporó al método EI
para evitar la selección de ubicación de sensores donde se presenta una baja energía, la
cual corresponde a uno de los limitantes del método previo.
 Método KE: El método KE (kinetic energy) es un método similar a EI, pero considera la
masa del sistema para el análisis.

3.3 Sistema de Adquisición de Datos

3.3.1 Uso y análisis de datos.

Visualizar y analizar la información es clave en la toma de decisiones oportunas y acertadas, o

bien, para ampliar los conocimientos específicos del estado actual de la estructura.

Las medidas de procesos lentos (socavaciones, inclinaciones y agrietamientos, por ejemplo) son
registrados discreta o continuamente, donde se describen mediante parámetros estadísticos como
valores máximos, promedios y varianzas, los cuales son almacenados con el tiempo
correspondiente. Los procesos rápidos, tales como tráfico, viento, olas e impactos, por ejemplo,
son medidos constantemente para registrar el desarrollo de la respuesta estructural.

3.3.2 Modelos de carga.

Estos representan un filtro para reproducir los efectos reales de las cargas sobre la estructura,
describiendo las fuerzas requeridas para que los efectos en el modelo estructural correspondan a
los registrados para las cargas reales. Si los modelos se actualizan constantemente, permiten ajustar
los niveles de seguridad a los respectivos efectos. Para calibrar estos modelos, se requiere un
31
monitoreo de las cargas, que entregue una base estadística y permita calcular las cargas aplicadas
a la estructura.

3.3.3 Equipos de acondicionamiento de señales

Corresponden a amplificadores de señal, filtros análogos (que eliminan ruido), sistema de

adquisición de datos con convertidor análogo-digital, análisis computacional para administrar,
procesar, almacenar y reducir los datos, almacenamiento de data, fuente de poder ininterrumpida y
telecomunicación.

3.3.4 Medidas estáticas

La medición de desplazamientos tales como deflexión, inclinación, asentamiento, deformación,

agrietamiento y efectos ambientales, se puede efectuar mediante promedios de horas junto con su
desviación estándar.

3.3.5 Medidas Dinámicas

Los cambios en el comportamiento de la capacidad de carga de una estructura suelen estar

asociados con las características de vibración. Estos cambios en el sistema estático afectan la
frecuencia natural y los modos de vibrar, los cuales se pueden determinar con un monitoreo a largo
plazo.

3.3.6 Sistema de adquisición de datos

El sistema de adquisición de datos corresponde al proceso de obtención de la información obtenida

por los sensores tras la instrumentación de las estructuras. Esta información es recolectada,
procesada y transmitida para un análisis profundo e interpretación. Los sensores pueden generar
señales análogas o digitales, que representan las variables que están siendo monitoreadas. Estas
señales deben ser transmitidas de manera digital para que puedan ser procesadas por un
computador. En otras palabras, el sistema de adquisición de datos es un intermediario que facilita
el flujo de información desde los sensores al computador (Emin, et al., 2003). Existen fabricantes
que se especializan en DAQ (Data Acquisition), entre las que se encuentran: Analog Devices Inc.,
Daytronico Corporation, Digitexx Data System, Inc., Frecuency Devices, Inc., IMC DataWorks,
LLC y Texas Measurments, Inc., entre otros.

Los sistemas de adquisición de datos presentan desafíos en el monitoreo estructural, como el

sistema de alimentación de poder, las redes inalámbricas o ancho de banda de comunicación, que
pueden complicar el manejo de grandes cantidades de datos. Es por esto, que se han desarrollado

32
dos técnicas para los sistemas de adquisición de datos: el “data logging” y “decentralized data
aggregation” (Linderman, et al., 2013).

En “data logger” se utilizan instrumentos que demodulan la señal de varios sensores, recolectan la
información, la condicionan y la almacenan. En este proceso, la data es adquirida localmente por
los nodos en los sensores, para luego enviarla individualmente a la estación base, donde se puede
analizar junto con el historial de tiempo de cada medida. Este método utiliza de mejor manera la
transmisión de banda ancha, pero el tiempo de procesamiento puede ser significantemente mayor.

El segundo método corresponde a una adquisición de data en tiempo real. La data de cada sensor
se adquiere y es procesada localmente, en nodos encargados de un vecindario de sensores a
diferencia del data logger que es individual para cada sensor, para luego reenviar la información
procesada a un nodo de salida. Este método reduce la demanda de poder al disminuir el tamaño de
información transmitida, pero no permite un historial completo de tiempo. Este sistema permite
acceder a la data entre los intervalos de muestreo, mientras que otros métodos presentan un retraso
debido a que deben terminar todos los intervalos antes que la información esté disponible
(Linderman, et al., 2013).

3.3.6.1 Arquitectura del sistema

El modelo típico de un sistema de adquisición de datos realiza mediciones sobre el medio,

transforma la información de análogo a digital en el propio nodo, para luego transmitirla a una
estación base, donde la información puede ser almacenada temporalmente y tratada para acabar
finalmente en un servidor base que permita un análisis profundo de los datos.

Ilustración 3-9: Red inalámbrica de sensores (Rodriguez, et al., 2016).

Como mínimo, el sistema de adquisición de datos debe incorporar nodos de sensores, ya sea
conectados o inalámbricos, una base de adquisición de datos, que corresponde a la estación base y
33
finalmente una unidad de procesamiento y monitoreo. Los módulos deben ser capaces de recopilar
la información de los sensores y transmitirla a los controladores de adquisición de datos (para
conexiones inalámbricas considerar el protocolo ZigBee (Noel, et al., 2017)). Estos controladores
son los responsables de coordinar la comunicación de los nodos, de manejar, almacenar y analizar
la data obtenida, para luego decidir la información a enviar, mediante conexión telefónica o vía
internet. La cantidad de nodos del sistema dependerá de cada aplicación (Noel, et al., 2017).

Las redes de sensores están formadas por un conjunto de dispositivos pequeños denominados nodos
sensores, con la capacidad limitada de cómputo y comunicación, cuyo tiempo de vida depende de
una batería adjunta al dispositivo. Estos nodos se encuentras dispersos a lo largo de la estructura,
de manera estratégica para su monitorización (Rodriguez, et al., 2016). Como sistema operativo de
los nodos sensores, se pueden utilizar TinyOS para procesar toda la información relacionada con
recolección de data, sincronización y transferencia de la información (Noel, et al., 2017).

Cabe mencionar que para implementar un sistema de SHM se debe tener una fuente de energía a
largo plazo por cuanto se requiere de una conexión directa con el sistema eléctrico (reforzado por
baterías y UPH en cortes de luz) y/o ser alimentados por fuentes de energía instaladas en la
estructura o sus cercanías como lo son los paneles solares o sistemas eólicos.

3.3.6.2 Red de Sensores Inalámbricos

Debido al desarrollo de la tecnología, se ha progresado en la creación de nodos de sensores

inalámbricos, los cuales presentan ventajas sobre los sistemas conectados al facilitar su instalación
y manejo, pero presentan una menor capacidad de banda ancha, por lo cual, para posibilitar la
adquisición de datos se limita el tamaño de la señal, la cantidad de canales y/o la frecuencia de
muestreo. En la bibliografía se muestran procedimientos donde estas limitaciones permiten una
transmisión continua y en tiempo real de la data de sensores inalámbricos de hasta 40 canales de
12-bit de data en 20 nodos con una frecuencia de muestreo de 128 Hz (Niu, et al., 2009), (Whelan
& Janoyan, 2009).

Debido a su alto costo de instalación, las redes de sensores conectadas por cable suelen ser
aplicables a monitoreos a largo plazo (Noel, et al., 2017). De acuerdo con lo mencionado en (Lych
& Loh, 2006), los sensores inteligentes con una comunicación inalámbrica son capaces de reducir
los esfuerzos de instalación y aumentar el número de sensores, ya que no se requiere de cables para
la transferencia de datos, el mantenimiento del sistema es menor, el procesamiento e interpretación
de los datos puede ser distribuido a lo largo de los nodos de la red y el sistema permite fallas locales
sin necesariamente afectar a otros. En la tabla 3-2, se comparan las redes conectadas con las redes
inalámbricas.

Tabla 3-2: Comparación de red sensores conectada e inalámbrica (Noel, et al., 2017).
Variable Red conectada de sensores Red inalámbrica de sensores
Costos Alto, hasta $25,000 (USD) Bajo, aproximadamente $500
(USD) por sensor
Tiempo de instalación Alto, hasta 9 días Bajo, media hora por sensor

34
 Vida útil Limitada por vida útil de Limitada por duración de
hardware baterías y demanda de
sensores
Banda ancha Gran banda ancha debido a la Conexión limitada
conexión por cable

Uno de los aspectos que requieren mayor atención con los instrumentos inalámbricos corresponde
a la fuente de energía necesaria para un monitoreo a largo plazo, ya que la capacidad de las baterías
es limitada y recargarlas termina resultando engorroso y de tiempo demandante. Los principales
consumidores de energía corresponden al radio, los sensores con acondicionamiento de la señal y
los microcontroladores (Meyer & Motavall, 2010). Existen nodos de sensores inalámbricos de bajo
consumo, que conectados a 2 pilas AA son capaces de registrar el comportamiento de la estructura
por hasta 1 año 9 meses (Humair, et al., 2018). Junto con esto, se puede generar una eficiencia de
la energía disponible mediante la optimización de la señal de transmisión, la reducción de data en
los nodos, ruteo eficiente y recarga de baterías (Noel, et al., 2017).

La tecnología de red inalámbrica más común corresponde a la familia de estándares IEEE 802.11
(IEEE , 2009), ratificada en 1997 por el instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE),
la cual utiliza diferentes bandas de frecuencia, como la banda 2.4 GHz que es utilizada por IEEE
802.11b, o bandas de 5Ghz, utilizada por IEEE 802.11, las cuales se utilizan cuando la demanda
de ancho de banda es alto en un sistema inalámbrico (Ruiz & Garita, 2019).

3.3.6.3 Tecnologías de transmisión de datos

Para la transferencia de los datos obtenidos por el sistema y teniendo en cuenta el despliegue del
sistema de monitoreo, se considera la evaluación de tecnologías inalámbricas dado a que son menos
intrusivas, más fáciles de desplegar y menos costosas. Se ha decidido evaluar dos tecnologías de
transmisión debido a su cobertura y popularidad, considerando que se puede utilizar también la
tecnología de radio frecuencia y satelital:

 Wi-Fi: Es una red de área local (LAN) que proporciona acceso a Internet dentro de un rango
limitado. Utiliza frecuencias entre los 2,4 GHz y 5 GHz. Actualmente las normas de mayor
auge para Wi-Fi son la familia de normas proporcionadas por el IEEE 802.11n y 802.11ac,
donde cada uno de estos nuevos estándares mejora el rendimiento en estas bandas de
frecuencia. La tecnología Wi-Fi presenta un ancho de banda alto, mientras que carece de
un rango amplio, lo cual se compensa con la velocidad y ancho de banda. Wi-Fi se puede
utilizar para aplicaciones y despliegues de Internet de las cosas (IoT) que se ejecutan en un
entorno local, o en un entorno distribuido (Hernández, 2016).
 Red Celular: Es una red de área extensa (WAN) que cubre kilómetros. Se conecta a Internet
a través de una serie de estaciones distribuidas en células por toda la ciudad. Cada una de
estas estaciones base ofrecen cobertura de radio en un área amplia, y luego el total de la red
de estaciones base puede dar acceso a través de todo el país, por ejemplo. El ancho de banda
es alto (se puede transmitir indicaciones del GPS, video y audio al igual que Wi-Fi), pero
también depende de la cobertura. El acceso a los datos celulares, sin embargo, es más caro
que el Wi-Fi y otros tipos de redes inalámbricas (Hernández, 2016).
35
3.3.6.4 Software

El software para la adquisición de datos debe dividirse en diferentes bloques para recolectar,
transmitir, procesar y evaluar el estado del puente utilizando un algoritmo correspondiente. Existen
softwares (e.g. DAQ Embedded Software) capaces de leer los parámetros obtenidos por los nodos
del sistema y analizarlos de una manera tal, que en el caso de que ocurra una anormalidad en las
medidas del puente, comienza a recolectar la información completa de cada nodo para transmitirla
a la estación base para que pueda ser procesada. En el caso que no ocurran señales extraordinarias
en las medidas y para evitar una sobreacumulación de datos, se pueden aplicar métodos estadísticos
de una selección definida de datos recopilados en forma periódica, como por ejemplo obtener el
promedio de los datos que entrega un sensor cada media hora, lo que permite conocer el
comportamiento de la estructura, sin la sobreacumulación de datos (Whelan, et al., 2009). Junto
con la acumulación de datos, el software debe ser capaz de visualizar los datos mediante alguna
plataforma online para observar en tiempo real el estatus de la estructura y su historial previo.

3.4 Manejo de Datos y Procesamiento de Datos

3.4.1 Análisis de la señal

La señal generada por los sensores es comúnmente análoga, por cuanto es necesario realizar una
conversión de los datos a una base digital. Previo a la digitalización se puede acondicionar la señal
análoga considerando los siguientes mecanismos: (SAMCO, 2006):

● Filtro pasa altos y bajos: para filtrar ruido y efectos de variaciones de temperatura, entre
otros.

● Filtro pasa banda: para mantener solo las frecuencias sensibles para la estructura.

● Integración: para convertir señales de aceleración en velocidad y desplazamiento.

● Generador de parámetros: cálculo de promedio, desviación estándar y valores máximos,

entre otros.

● Análisis de frecuencias: determina el contenido espectral de la señal de respuesta en el

tiempo.

● Amplificación: proceso que permite aumentar la potencia de la señal

Para cambios lentos, se pueden aplicar algoritmos para que se registren valores promedios, y solo
en casos discretos, cuando se superen límites preestablecidos, se realice una medición continua. El
monitoreo realiza mediciones en estado de servicio, donde se presentan cargas de tráfico,
vibraciones ambientales y micro-sísmicas.

36
 4. Análisis de Salud y Diagnóstico de la
Estructura

4.1 Análisis numérico

Para el análisis numérico se requiere un modelo adecuado que contenga la rigidez, la distribución
de masa y las condiciones de borde. Para la evaluación estructural, una de las técnicas más
aceptadas para modelar y comparar es el análisis mediante el método de elementos finitos, el cual
entrega una herramienta para efectuar predicciones analíticas y simulaciones.

El análisis numérico tiene por objetivo:

● Determinar los parámetros modales

● Verificar los resultados medidos
● Simular propiedades estructurales
● Modelar daños

4.2 Calibración de modelos estructurales

La calibración del modelo permite acercar el modelo a una situación más real de la estructura,
donde se deben ajustar las propiedades mecánicas, las condiciones de borde y las condiciones de
continuidad. Los modelos calibrados sirven para predecir la respuesta estructural y posibles
mecanismos de falla. Esto requiere:

● Calibración del modelo, donde se modifican las propiedades mecánicas y condiciones de

borde.
● Análisis de sensibilidad, donde la sensibilidad se puede definir como el gradiente local de
información obtenido por la formulación analítica, que es útil para problemas de
optimización.
● Utilización de modelos calibrados, corresponde a la mejor forma de conocer la condición
actual de la estructura, el cual se puede utilizar para conocer la capacidad de carga y evaluar
sus fuerzas internas junto con las deformaciones en condiciones de operación.

4.3 Procedimientos Dinámicos

Los métodos de análisis de datos corresponden al último proceso de SHM y permiten obtener el
estado de la salud estructural de un puente. En esta etapa, se procesan los datos ya filtrados y se

37
puede determinar, dependiendo del nivel de complejidad del método, la presencia de daños y la
ubicación de estos en la estructura (SAMCO, 2006).

El principio de estos métodos corresponde a que el daño provoca cambios en las propiedades físicas
de la estructura (rigidez), los cuales generan cambios detectables en las propiedades modales de la
estructura, como por ejemplo el desarrollo de las grietas genera cambios en la rigidez de la
estructura (Fan, 2013).

Estos métodos se pueden dividir en dos, los métodos basados en un modelo numérico detallado de
la estructura y los modelos basados en la respuesta de la estructura, que requieren de datos
experimentales de la estructura (Wei & Pizhohg, 2013).

Las características dinámicas que se establecen mediante el monitoreo de vibraciones corresponden

a propiedades globales de la estructura, que suelen no ser sensibles a daños locales. Por esta razón,
los daños menores pueden no ser detectados a menos que sean severos. Las vibraciones globales
suelen estar más afectadas por fenómenos que por daños, incluyendo efectos ambientales por
cambios de temperatura o masa.

Los métodos utilizados para obtener información sobre la condición de una estructura por
mediciones en las propiedades de vibración incluyen:

4.3.1 Métodos basados en la frecuencia natural

Este método utiliza la frecuencia natural de la estructura como base para la determinación de daño,
ya que la frecuencia natural puede ser determinada a partir de la medición de la respuesta de uno o
tan sólo algunos puntos característicos de la estructura que pueden ser seleccionados de manera
que estos se ubiquen en lugares donde están menos contaminados por ruido(Wei & Pizhohg, 2013).
Existen diferentes revisiones del uso del cambio de la frecuencia natural en la identificación de
daño, como se muestra en (Salawu, 1997). El método se basa en que cualquier daño generado en
una estructura se asocia directamente con una reducción de la rigidez de la estructura, lo que
implica reducciones anormales de las frecuencias naturales y es por esto que representa uno de los
parámetros más utilizados en la detección de daños (Magalhaes, et al., 2012).

El proceso consiste en calcular la disminución de la frecuencia para un cierto tipo de daño conocido
que se modela matemáticamente y se comparan las frecuencias medidas con las frecuencias
calculadas, donde se requiere de modelos computacionales para calcular las frecuencias de los
diferentes modos de vibración, tanto para el estado no dañado como para los diferentes escenarios
de daño planteados (Paredes, 2013).

Como principal ventaja de este método se puede mencionar que las frecuencias naturales de una
estructura son relativamente fáciles de medir, sin embargo aunque es posible detectar la existencia
de daño, la localización de daños se torna un análisis complejo debido a que dos daños son
localizados en distintos sitios de la estructura que pueden ocasionar el mismo decremento en la
frecuencia natural, que un único daño localizado en un solo sitio de la estructura (Paredes, 2013).
Es necesario mencionar que daños estructurales locales o globales que generen cambios menores

38
a 1% en la frecuencia natural son prácticamente imperceptibles si solo se utiliza un análisis de
frecuencias.

Una de las limitaciones de estos métodos es la dependencia del modelo estructural donde se
incluyan los daños, junto con esto, el rango de los modos de vibración que es aplicable para la
detección de daños corresponde solo a los primeros modos de vibrar (Wei & Pizhohg, 2013). Otra
limitación corresponde a que los cambios en la frecuencia provocados por daño en la estructura
suelen ser pequeños y pueden pasar desapercibidos como ruido ambiental. Finalmente, la
frecuencia natural de una estructura es influenciada por efectos ambientales como temperatura y
humedad, por lo cual es necesario aplicar métodos para eliminar estos efectos (Deraemaeker, et al.,
2008), (Magalhaes, 2010).

4.3.2 Métodos basados en la forma modal

Los métodos dinámicos funcionan en base a señales obtenidas de sensores dentro de la estructura
y el desarrollo de un modelo estructural preciso (e.g., modelo de elementos finitos), lo que les
permite definir formas modales observables (Reda Taha, et al., 2014).

Es necesario mencionar que las formas modales contienen información local de la estructura, lo
que los hace más sensibles a detectar múltiples daños en la estructura. Además, las formas modales
son menos sensibles a efectos provocados por ruido ambiental en comparación con los métodos de
frecuencia natural (Wei & Pizhohg, 2013).

Durante la historia del SHM se han utilizado dos métodos de detección de daños en base a la forma
modal de la estructura: el método tradicional y el método moderno. El método tradicional intenta
establecer una relación de la detección y localización de daños con un modelo computacional de la
estructura, por ejemplo, un modelo de elementos finitos, por lo cual, dependen de información de
la estructura no dañada y con daños. El método moderno, por su parte, se puede aplicar
directamente a los datos obtenidos de estructuras dañadas, donde detectan el daño en la estructura
mediante la localización de discontinuidad en la forma modal de la estructura, que es provocado
por el daño correspondiente (Wei & Pizhohg, 2013).

Dentro de los métodos modernos se puede destacar la utilización del método de dimensión fractal
(FD) el cual propone un algoritmo de detección de daño usando el FD de la estructura. La ubicación
del daño y su tamaño se puede determinar mediante un peak en la curva de FD, la cual indica la
irregularidad local de la forma modal, generada por daño (Wei & Pizhohg, 2013).

Como desventaja se puede mencionar que para detectar la forma modal de una estructura, es
necesaria la implementación de un sistema más amplio de sensores en el puente, junto con que la
detección de daño en el método tradicional solo sirve de forma preliminar y debe ser justificado
mediante otros métodos como el análisis de la frecuencia natural (Wei & Pizhohg, 2013). Se puede
encontrar mayor detalle el método en el anexo A.1 Análisis Modal.

39
4.3.3 Métodos basados en emisiones acústicas

El método de emisiones acústicas se basa en la detección del movimiento dinámico en la superficie

de una estructura, las cuales se generan por ondas elásticas de tensiones que son generadas por la
liberación espontánea de energía elástica acumulada de fallas en elementos de la estructura
(Czichos, 2013).

Este método monitorea la respuesta dinámica del material frente a cargas aplicadas o ambientales,
de una manera pasiva, permitiendo la detección de fuentes activas y procesos de degradación que
evolucionan con el tiempo. Se puede aplicar como monitoreo local, para detección de grietas,
corrosión, entre otro, o para un monitoreo global de la estructura, siendo capaz de detectar defectos
crecientes (Czichos, 2013).

Para analizar las emisiones acústicas se requiere de sensores piezoeléctricos de recepciones

acústicas, los cuales deben ser colocados estratégicamente en la estructura. Estos sensores
convierten las ondas en una señal eléctrica para luego ser procesada por métodos computacionales
(Yapar, et al., 2015).

Para la detección de mecanismos que provocan emisiones acústicas dentro de la estructura existen
métodos de clasificación e identificación como el análisis de amplitud de peak de la señal, la
energía y duración de la señal y los métodos avanzados como la aplicación de la FFT (Fast Fourier
Transform), análisis de la onda modal o reconocimiento estadístico de patrones mediante emisiones
como se muestra en (Miller & Hill, 2005), (Ono, 2007). Se presenta mayor detalle del método en
el anexo A.2 Emisiones Acústicas.

4.3.4 Métodos basados en la Transformada de Fourier

La transformada de Fourier es una herramienta matemática que permite obtener, a partir de una
función discreta en el tiempo, otra función discreta, que contiene toda la información de la primera,
pero en el dominio de la frecuencia. La función se denomina espectro de Fourier y representa la
manera como la medida de amplitud de la señal se distribuye con la frecuencia (Viviescas, et al.,
2017). Debido a que los elementos de procesamiento digitales trabajan de forma discreta, se utiliza
la transformada discreta de Fourier (DFT), que consiste en un muestreo uniforme en la frecuencia
de la transformada de Fourier.

La DFT permite transformar una función en tiempo discreto en otra función en el dominio de la
frecuencia discreta. Es importante tener en cuenta que para aplicar la DFT, se deberá definir la
frecuencia a la cual se muestrea la señal continua y el número de muestras de la señal en el tiempo
para obtener una resolución en frecuencia adecuada (Arias, 2015).

Otro método que se basa en la transformada de Fourier corresponde a la transformada rápida de

Fourier (FFT), la cual corresponde a una de las más utilizadas en SHM debido a que se puede
implementar rápidamente y es considerada una técnica eficiente para analizar señal. La FFT
convierte muestras discretas de una señal continua en una representación en el dominio de la
frecuencia. Como desventaja se puede mencionar que presenta problemas en situaciones donde la

40
estructura se ve afectada por excitaciones dinámicas (Amezquita & Adeli, 2014). Se presentan
aplicaciones de FFT para análisis de señales de monitoreo de puentes en (Brincker , et al., 2001),
(Lee, 2007), (Hu, et al., 2013).

4.3.5 Métodos basados en la transformada de Wavelet

La transformada de Wavelet corresponde a una técnica de procesamiento tiempo-frecuencia de la

señal que ha sido capaz de superar las principales limitaciones de la Transformada de Fourier, como
indicar el tiempo de ocurrencia de una señal transiente, ya que la transformada de Fourier solo se
basa en información de la frecuencia de la señal. La transformada de Wavelet tiene la habilidad de
entregar información de tiempo y frecuencia de una señal de manera precisa (Reda Taha, et al.,
2006).

El análisis de wavelet básicamente consiste en tomar una función wavelet, comparándola con la
señal original, hallando correlación local entre ambas. La función wavelet, se escala y se vuelve a
comparar con la señal original, donde el escalado corresponde a una compresión o estiramiento de
la función wavelet, afectando la seudo-frecuencia de la misma. Teniendo entonces la seudo-
frecuencia de la función wavelet para cada escala, se puede identificar las frecuencias
características de la señal, buscando coeficientes de correlación altos (Tischer, et al., 2007).

Existen diferentes métodos que aplican la transformada de Wavelet en la detección de daños. A

continuación, se presentan 3 métodos con aplicaciones reales, mayor detalle en (García, 2016):

 Método basado en la transformada continua de wavelet (CWT): La CWT sirve de base para
un procedimiento de detección de daño basado en la premisa que el daño debido a una
pérdida repentina de rigidez puede ser detectada mediante formas modales con coeficientes
wavelet que desarrollan grandes amplitudes en la localización del daño (Lazcano, et al.,
2011).
 Método del análisis discreto de Wavelet (DWA): El procedimiento de detección de daño
DWA consiste en seleccionar una wavelet adecuada y en base a ella aplicar el algoritmo
Transformada Rápida Wavelet (FWT por sus siglas en inglés) a una señal en función del
espacio (forma modal) para encontrar un árbol de descomposición wavelet de la señal
(Lazcano, et al., 2011).
 Método basado en paquetes de Wavelets (WPS): Este método está basado en la
Transformada Wavelet por paquetes para la localización del daño en estructuras. En dicho
método, denominado Método Basado en Paquetes Wavelets (WPS, por sus siglas en inglés),
es requerida la respuesta dinámica de la estructura para las condiciones exentas del daño y
el estado actual (Lazcano, et al., 2011).

41
4.3.6 Métodos basados en modelos autorregresivos

Los modelos autorregresivos son utilizados para desarrollar modelos matemáticos basados en los
datos obtenidos, estos se dividen en lineales y no lineales, donde los modelos lineales corresponden
a los modelos más utilizados en SHM para el procesamiento y evaluación de la estructura bajo
cargas dinámicas, debido a que pueden ser implementadas fácilmente y se consideran una técnica
eficiente. Entre los modelos lineales más frecuentes se pueden encontrar modelos como el modelo
autorregresivo (AR), promedio móvil (Moving-Average, MA) y el promedio autorregresivo móvil
(ARMA), entre otros (Amezquita & Adeli, 2014). Se puede analizar aplicaciones de métodos
autorregresivos en (Carden, 2008) y (Nair & Kiremidjian, 2006).

Como ventaja se puede mencionar que los métodos autorregresivos son fáciles de implementar y
existe una diversidad de modelos que se pueden implementar para SHM. Como desventaja se puede
mencionar que los métodos autorregresivos pueden ser sensibles al ruido ambiental (Amezquita &
Adeli, 2014).

Entre los métodos estadísticos también se presentan los métodos de detección de daños basados en
momentos estadísticos (SMBDD por sus siglas en inglés). A continuación, se presentan dos casos
donde se aplican estos métodos (García, 2016):

 SMBDD en el dominio de la frecuencia: El principio básico del método de SMBDD es

identificar los parámetros de rigidez de una estructura antes y después de la ocurrencia de
daño a través de una actualización del modelo de elementos finitos (FE) que usa los
momentos estadísticos totalmente o, muy probablemente, las respuestas estructurales
parcialmente medidas y entonces determina las localizaciones del daño y sus severidades
comparando los parámetros de rigidez estructurales identificados en las dos fases (Xu, et
al., 2011).
 SMBDD en el dominio del tiempo: Hablando teóricamente, el método de SMBDD puede
aplicarse a las estructuras en el dominio de frecuencia solo cuando las excitaciones externas
obedecen las distribuciones Gaussianas. Este requisito limita la aplicación del método de
SMBDD a las excitaciones externas no-Gaussianas. En este aspecto, el método de SMBDD
ha sido extendido y se ha llevado a cabo en el dominio del tiempo para las excitaciones
externas no-Gaussianas y no-estacionarias con la consideración de medidas incompletas
(Xu, et al., 2011). Estos métodos no necesitan disponer de un modelo matemático detallado
de la estructura para detectar el daño o conocer el estado de la estructura previo al daño
(Lazcano, et al., 2011).

4.4 Definición de Alarmas

Es necesario evaluar para cada parámetro de medición, los límites de operación de los sensores tal
que sean indicadores de un síntoma anormal de operación, deterioro o daño de la estructura. Un
método simple para definir límites de alarmas es la comparación de datos obtenidos del monitoreo
con valores umbrales que pueden ser elegidos de manera preliminar, los cuales pueden ser
obtenidos de códigos y normas, así como de investigaciones y de experiencia propia.

42
Se pueden establecer diferentes categorías para la definición de alarmas o límites que permitan
informar situaciones anormales, los cuales se presentan a continuación (Martinez, et al., 2016):

 Límites normales de operación: En esta categoría se obtienen límites considerando valores

estadísticos de parámetros estructurales a partir de los datos registrados por el monitoreo
continuo bajo condiciones de operación normal. Como ejemplo se describe una
metodología correspondiente:
1. Extraer valores crudos registrados por sensores.
2. Calcular el valor de la media representante de n minutos de adquisición.
3. Unir los valores de las medias obtenidas en un vector que constituya m días de
adquisición.
4. Ajustar distribución estadística de las medias obtenidas.
5. Obtener distribución estadística que represente el comportamiento de cada sensor.
6. Definir cantidad y rangos de los límites.
 Límite de diseño: Los cuales se basan en los valores máximos de los parámetros
estructurales proyectados por el diseñador, obtenidos mediante modelaciones numéricas,
códigos y normas.
 Límite de resistencia de materiales: Representando el mayor grado de daño que puede sufrir
los elementos estructurales críticos, aquellos más susceptibles a la falla. Se basa en las
capacidades físicas de los materiales empleados en la estructura, usualmente expresado
como porcentaje de fluencia o resistencia última de los elementos estructurales críticos.
 Límites basados en Simulación Montecarlo y/o curvas de fragilidad: Cuando no se tiene
información dada por alguna instrumentación de la estructura, esta aproximación se basa
en datos estadísticos de cargas dinámicas a la que estructura está expuesta, mediante un
modelo de elementos finitos.

43
 5. Análisis de Tipología de puentes
Nacionales

5.1 Estudio de Red vial crítica

Para el estudio de la red vial crítica, se presenta información relevante sobre los puentes de la red
de transportes de Chile, la cual se obtuvo mediante el documento realizado por el MOP nombrado
“Red Vial Nacional: Dimensionamiento y Características (2015)”. Este documento es desarrollado
por el Departamento de Gestión Vial de la Subdirección de Desarrollo de Vialidad, para entregar
información actualizada de la infraestructura vial existente a diciembre del año 2015. En él se
describen de manera general la longitud de la red vial, caminos pavimentados, caminos básicos
intermedios, obras concesionadas, túneles, ciclovías, puentes y pasarelas divididas por región. Es
necesario mencionar que la Red vial crítica sigue sin estar definida por el MOP, por lo cual la
utilizada en este documento debe ser considerada como una opinión personal.

A pesar que existen ediciones más recientes del documento, el del año 2015 fue el último que, hasta
la fecha, incluye el estudio de la red de puentes del país. En el capítulo de puentes, se presenta un
detalle de la identificación, ubicación y características generales de los puentes. En la Tabla 5-1 a
continuación se presenta un resumen de los puentes de la red vial nacional.

Tabla 5-1: Resumen de los puentes de la Red Vial Nacional a Diciembre de 2015.

44
Para el presente análisis se consideran como estructuras de la red vial crítica solo los puentes
pertenecientes a la Ruta 5, ya que esta corresponde a la ruta más transitada y la que permite la
conectividad del país desde Norte a Sur.

Del documento realizado por el MOP, se puede obtener información sobre la longitud de cada uno
de los puentes, junto con el tipo de material utilizado en la infraestructura, las vigas y el tablero.
La Tabla 5-2 resume los valores obtenidos de cada puente por las regiones correspondientes en.

Tabla 5-2: Resumen material de construcción de diferentes elementos de los puentes

Longitud
Región Material Infraestructura Vigas Tablero
Promedio (m)
I 58,55 H (Hormigón) 2 1 4
A (Acero) 2 3 0
III 29 H 5 3 5
A 0 2 0
IV 97,43 H 34 28 34
A 0 6 0
V 68,92 H 31 29 31
A 0 2 0
VI 84,59 H 26 25 26
A 0 1 0
VII 103,34 H 67 67 67
A 0 0 0
VIII 68,74 H 106 95 106
A 0 11 0
IX 49,92 H 18 13 18
A 5
X 54,70 H 50 46 50
A 0 4 0
RM 73,08 H 9 5 11
A 2 6 0
XIV 73,83 H 43 27 43
A 0 16 0
XV 90,40 H 4 2 5
A 1 3 0

Para resumir, se observa en la Tabla 5-2 que la longitud promedio de los 400 puentes pertenecientes
a la ruta 5 corresponde a 71 m. Al observar el tipo de material utilizado para la construcción de las
diferentes secciones, se observa que en el 99% de los casos la infraestructura corresponde a
hormigón, para las vigas el 85% corresponde a hormigón y para el tablero el 100% corresponde a
hormigón.

45
 Tabla 5-3: Resumen y porcentaje total de materiales de construcción.
Total Infraestructura Vigas Tablero

Hormigón 395 341 400

Acero 5 59 0
Total 400 400 400
% Hormigón 99 85 100
% Acero 1 15 0

Promedio longitud (m)

71,04

Junto con el estudio del documento previo, se analizó el documento (Wilches, et al., 2019), que
presenta un puente representativo de los puentes viales de Chile, mediante un estudio estadístico
de los puentes nacionales.

El estudio menciona que en Chile los puentes con vigas de hormigón pretensados simplemente
apoyados, corresponden al tipo de puente más común construido, los cuales corresponden al 38%
del total, en donde el 23% corresponde a puentes rectos y el 15% a puentes esviados.

Por esto, y considerando los datos obtenidos previamente, se selecciona una estructura
representativa de los puentes viales pertenecientes a la red vial crítica seleccionada como un puente
recto, con superestructura de hormigón armado, cuatro vigas pretensadas simplemente apoyadas,
con un ancho de puente de 11.5m considerando dos pistas vehiculares, con dos tramos de 35.5 m
entre apoyos, y una infraestructura de hormigón armado, como se muestra en la figura a
continuación.

Ilustración 5-1: Representación de tipología seleccionada

46
 5.2 Análisis de daños en Tipología seleccionada

Una vez obtenida la tipología correspondiente a la estructura representativa de la red vial crítica en
Chile, se procede a analizar sus fallas más comunes, las cuales corresponden a:

● Socavación (inclinación)
● Fisuramiento
● Corrosión
● Impactos
● Movimiento de tableros (sismos)
● Corte barras antisísmicas (sismos)
● Descenso de terraplén en losas de acceso
● Daños de juntas de dilatación
● Daños en topes sísmicos

5.2.1 Daños observados durante el Terremoto 27/F

Junto con el estudio de la tipología de puentes descrita en el documento “Evaluación de las

disposiciones de diseño de puentes chilenos mediante curvas de fragilidad” (Wilches, et al., 2019),
se presentan los daños presenciados tras el terremoto del 27 de febrero de 2010. En total se
observaron 79 puentes con daños, de los cuales 41 (51%) puentes corresponden a vigas
simplemente apoyadas con hormigón pretensado. Estos puentes se ubicaban en zonas donde la
Intensidad de Mercalli Modificada (IMM) fluctuó entre VI y VIII. Los principales daños
observados corresponden a:
● Desplazamiento de tablero
● Colapso de tablero
● Daño de tope sísmico
● Descenso de Terraplén de acceso
● Daño de barra antisísmica
● Daño de estribos
● Daño de cepas
● Daño de vigas
● Daño de placa de apoyo
La caracterización de daños provocada por el terremoto del Maule el 27 de febrero del 2010, de
acuerdo con la tipología elegida, se presenta en la Ilustración 5-2 a continuación, donde se dividió
la caracterización de daños en base a la zona sísmica en la que se encontraban las estructuras
considerando la zonificación considerada por el Manual de Carreteras (MOP, 2012):

47
 CARACTARIZACIÓN DE DAÑOS
Zona Sísmica 2 Zona Sísmica 3

88,57%

82,86%
50,00%

50,00%
48,57%
DAÑOS (%)

37,14%
33,33%

33,33%

25,71%
16,67%

16,67%

16,67%
11,43%

8,57%

2,86%
0,00%

0,00%

0,00%
DAÑO TOPE SÍSMICO

DAÑO PLACA DE APOYO

COLAPSO TABLERO

DESCENSO TERRAPLÉN DE ACCESO

DESPLAZAMIENTO TABLERO

DAÑO ESTRIBO

DAÑO VIGA
DAÑO BARRA DE ANCLAJE

DAÑO CEPA

SISMICIDAD

Ilustración 5-2 Caracterización de daños observados durante terremoto del Maule del 27 de
febrero de 2010.

Como se observa, los principales daños que se presentaron en las estructuras correspondieron a
daños en los topes sísmicos, daños debido a impactos transversales en las vigas, desplazamientos
residuales del tablero, daños en las placas de neopreno y daños de barras antísmicas, en especial en
zona sísmica 2, donde se observó la ausencia de travesaños transversales, una longitud insuficiente
de la mesa de apoyo y/o la utilización de topes sísmicos laterales insuficientes.

48
5.3 Metodologías de Inspección de puentes

Para comprender el estado actual de la inspección de puentes, se realiza una investigación de las
diferentes metodologías disponibles, analizando documentos como el Manual de Carreteras y
sistemas no oficiales implementados por diferentes empresas de inspección operando en Chile.

5.3.1 Manual de carreteras

El Manual de Carreteras (MOP, 2012) corresponde a un documento técnico que se utiliza como
referente nacional para la planificación, evaluación, diseño, mantención y seguridad de todos los
elementos pertenecientes a la Dirección de Vialidad. En el volumen 7 de este documento, referido
a Mantenimiento Vial, se presenta un capítulo de necesidades de mantenimiento en puentes y
estructuras viales, donde se menciona que los puentes corresponden a la unidad de mayor inversión
por unidad de longitud de camino, y que cualquier pérdida de capacidad de operación en estos se
percibe como muy perjudicial. Por ende, es necesario caracterizar el mantenimiento de estas obras
como una labor fundamental en la administración de una red vial.

De acuerdo al procedimiento de inspección de los puentes descrito en el Manual de Carreteras, es

necesario rellenar inicialmente la ficha de registro, en donde se describen las características
geométricas, junto con su nombre, ubicación, cantidad de tráfico que percibe por día y el grado de
daño que pueda presentar con una nota de 1 a 5, donde 1 corresponde a un puente con peligro de
colapso o con un daño serio. Esta ficha fue el resultado del trabajo realizado por la JICA (Agencia
de Cooperación Internacional del Japón) en los años noventa.

Luego, se procede con la ficha de inspección, la cual corresponde a una tabla en donde se le coloca
una nota de 1 a 5 a los diferentes elementos principales de la estructura, como se muestra en el
ejemplo de inspección de un puente en la Tabla 5-4.

En la Tabla 5-4 se mencionan las fallas más comunes de cada uno de los elementos, junto con la
evaluación de cada uno de los posibles daños, donde el 5 no presenta daños y el 1 corresponde a
una situación de emergencia. También se presenta una sección de comentarios, donde se pueden
mencionar las diferentes acciones e intervenciones que se realizaron, como reconstrucciones,
reparaciones u otros.

Estas dos fichas representan el proceso requerido por el Manual de Carreteras, el cual solo entrega
solamente una evaluación subjetiva de los daños.

49
 Tabla 5-4: Ejemplo de ficha de Inspección de puentes (MOP, 2012).

NOMBRE DEL PROVINCIA Y CODIGO DEL

PUENTE KILOMETRO NOMBRE DE LA VIA ROL DE LA RUTA REGION PUENTE
ANTIGUO LIMARI 377,97 5 NORTE R-5 LIMARI

TIPO DE DAÑO O DETERIORO Y SU CANTIDAD

2

ENSURCAD
OO
1
PAVIMENTO
ITEM
Grado
1
ALABEO CARRILES 3
FISURAMIENTO 4
ASENTAMIENTO 5
OTROS COMENTARIOS
o
cantid
ad 5 5 5 5
1 2
5
DEFORMACI OXIDAMIEN ARMADURA AL
3 4 6
ITEM ON TO CORROSION FISURAMIENTO AIRE OTROS
2
BARANDAS Grado
o
cantid
ad 5 5 5 5 5
2
1 4 5
SONIDOS FILTRACIO MOVIMIENTOS JUNTAS
3 6
3 ITEM EXTRAÑOS N DE AGUA DEFORMACION VERTICALES DESTRUIDAS OTROS
JUNTAS D E
Grado
EXPANSIÓN
o
cantid *Se ha ejecutado la reconstrucción de los 4
ad 5 5 5 5 4
1 2 3 6 pilares Gerber que soportan la losa de
FISURAS EN
UNA FISURAMIE DESCASCARAMI 4
ARMADURA AL 5
NIDOS DE EFLORESCEN empalme del par de arcos parabólicos del
ITEM DIRECCION NTO EN RED ENTO AIRE PIEDRAS CIA extremo sur.
4
LOSA Grado
o
cantid *Reparación: Sellado de fisuras del estribo
ad 5 5 5 5 3 3 sur.
1 5
ROTURAS DE
OXIDAMIEN 2 4
ROTURAS DE ARRIOSTRAMIE * Se ha reparado barandas impactada y
5 ITEM TO CORROSION 3
DEFORMACION LAS UNIONES NTOS 6
OTROS baranda con grieta, octubre 2004
RIOSTRAS
Grado
PTES. ACERO *Se ha ejecutado durante los primeros días
o
cantid de agosto 2005 la reconstrucción de la
ad baranda lado poniente del estribo norte la

50
 1
2 4 5
cual fue destruida en un accidente el día 31
OXIDAMIEN PERDIDAS DE FISURAS EN
6
VIGA 3 6 de julio 2005
ITEM TO CORROSION DEFORMACION PERNOS SOLDADURAS OTROS
PRINCIPAL DE
Grado
ACERO (EN
o
CERCHAS)
cantid
ad
1 2 3 6
FISURAS EN
4 5
UNA FISURAMIE DESCASCARAMI ARMADURA AL NIDOS DE EFLORESCEN
7
RIOSTRAS ITEM DIRECCION NTO EN RED ENTO AIRE PIEDRAS CIAS
PTES. Grado
CONCRETOS o
cantid
ad
1 2 3 6 * Se aprecian varios sectores de aceras
FISURAS EN
UNA FISURAMIE DESCASCARAMI 4
ARMADURA AL 5
NIDOS DE EFLORESCEN peatonales con desconches y armadura a la
8
VIGA ITEM DIRECCION NTO EN RED ENTO AIRE PIEDRAS CIAS vista.
PRINCIPAL DE Grado
CONCRETO o
cantid
ad 5 5 4 4 5 5
2
ROTURA
5
DE
1
ROTURA ACCESORIO 3
SALIDA DE 4
ROTURAS DEL DEFORMACIONE * Calzada: asfalto craquelado 1 m2 en pista
9 ITEM DEL APOYO S ANCLAJES DISCO S RARAS 6
OTROS nº 4
APOYOS
Grado
o
cantid
ad 5 5 5 5 5
1 2 * Se aprecia unn filtración de agua desde la
GRIETAS O FISURAS A
DESCASCAR PARTIR 3
ROTURA DEL 5 calzada hacia la losa a traves de una fisura
10
ITEM AM. APOYO PARAPETO 4
INCLINACIONES SOCAVACIONES 6
OTROS en pista nº 4.
ESTRIBOS Grado
o
cantid
ad 5 5 5 5 5
1 2
GRIETAS O FISURAS A
DESCASCAR PARTIR 3
DEFORM. DE 5 * Se aprecia armadura a la vista en viga lado
11
ITEM AM. APOYO CANTILEVER 4
INCLINACIONES SOCAVACIONES 6
OTROS poniente.
CEPAS Grado
o
cantid
ad 4 5 5 5

51
 1 2 3 4
GRADO
DECOLORAC OXIDAMIEN AMPOLLAMIENT DESCASCARAMI EVALUACI DERERIOR
5
12
ITEM ION TO O ENTO OTROS ÓN O SOCAVACIÓN
PINTURA Grado
o
cantid
ad 5 NO EXISTE NO EXISTE
1 2 6
FISURAS EN EN UNO O
3 4 5
13 UNA FISURAMIE ARMADURA AL NIDOS DE EFLORESCEN DOS TENDENCIA A
ARTICULACION ITEM DIRECCION NTO EN RED AGRIETAMIENTO AIRE PIEDRAS CIAS 4 PUNTOS SOCAVAR
ES DE VIGAS Grado
GERBER o EN
cantid MUCHOS EXISTE PERO NO
ad 3 5 5 5 5 3 3 PUNTOS HAY PELIGRO
2
DAÑOS
1
DERRUMBE POR
3 4
TALUD. IMPACTO O DAÑOS EN SE EFECTUO MENOS DE SOCAVACIÓN
5
14 ITEM ESTRIBO ROCAS CABO VIGAS REPARACION? OTROS 2 LA MITAD PELIGROSA
OTROS
Grado
o
cantid SITUACIÓN DE
ad Si 1 CASI TODO EMERGENCIA
FECHA
COMENTAR 1 EXISTIERON 1 EXISTEN EMPRESTITOS DE
INSPECCIÓ
NOMBRE
DESBORDAMIENTOS MATERIAL INSPECTOR
IOS N
ESPECIALE a. SI b. NO X
JEAN
a. SI b. NO X CATHALIF FIRMA
S c. NO SE SABE
DIC/2008 AUD

52
 5.4 Parámetros y clasificación de deterioros de puentes

Para el análisis de los puentes, el MOP ha propuesto tablas para el primer prototipo de Monitoreo
Estructural de Puentes del país las cuales aún no han sido incorporadas dentro del Manual de
Carreteras, que establecen parámetros o efectos que son relevantes monitorear y/o medir en
diferentes componentes estructurales con el objetivo de poder determinar su estado estructural o
deterioro(MOP, 2019).

Tabla 5-5: Parámetros relevantes de deterioros según elementos del puente (MOP, 2019).
ITEM PARÁMETRO
Cimentación

Profundidad de socavación
SUBESTRUCTURA

Desplazamiento vertical del estribo

Inclinación estribo
Estribos

Presión del terreno en los muros

Desplazamiento diferencial entre estribos y aletas
laterales
Presión en el murete de guarda
Desplazamiento vertical pilas
Inclinación de pila
Pilas

Abertura de fisura en la unión de pila y tajamar

Aberturas de fisura (resto)
SUPERESTRUCTURA

Desplazamientos en elementos del tablero

Tablero de
vigas

Corrosión (Intensidad de corriente eléctrica)

Abertura de fisuras
tipo losa
Tablero

Descascarillamientos

Abertura de fisuras

53
 Tableros tipo viga
en cajón
Abertura de fisuras

Acortamiento por pandeo de elementos

Abertura de fisuras

metálicos
Tableros Deformaciones excesivas en elementos
Roturas locales
Corrosión (Intensidad de corriente)
Abertura de fisura en arcos y bóvedas
Mampostería

Formación de rótulas

Elongación de los cables

Atirantados

Deterioro de las protecciones de los cables

(recubrimientos)
Tensión en los cables
Deformaciones excesivas en elementos
Corrosión en apoyos metálicos
movimientos de apoyo
Aparatos
Elementos de unión

Desplazamientos y tensiones

Desplazamientos en elementos del tablero

Juntas de

Mal estado de las juntas y/o aparatos de apoyo

Equipamiento, pavimentos y

Mal estado del pavimento

Relacionados con
equipamiento

Desconchamientos de pintura y corrosión en

acabad

elementos (intensidad de corriente, precipitación,

humedad ambiental y temperatura)

Mal estado de desagüe (precipitación)

Humedades / eflorescencias / ataque químico (pH)

54
 Tabla 5-6: Clasificación de deterioros según elementos del puente (MOP, 2019).
DETERIORO
Cimentación

Descalce de cimentaciones superficiales (zapatas, losas, etc.)

Socavación en cimentaciones profundas (pilotadas, pantallas…)

Asentamiento vertical del estribo

SUBESTRUCTURA

Giro del estribo según eje transversal

Estribos

Giro del estribo según eje longitudinal

Empuje excesivo sobre los muros
Diferencia de desplazamientos entre estribos y aletas laterales
Empuje excesivo sobre el murete de guarda
Asentamiento de pilas
Giro de pila según eje transversal
Giro de pila según eje longitudinal
Fisuración en la unión de pila y tajamar
Pilas

Fisuración por pandeo

Fisuración por compresiones excesivas
Fisuración por cortante
Fisuración por impacto
Tablero de vigas

Deformaciones excesivas en elementos del tablero

Daños por corrosión en vigas
Fisuras por asiento plástico
SUPERESTRUCTURA

Fisuras por arrastre de cortante

Fisuración por fallo de adherencia anclaje
Pérdida de recubrimiento
tipo losa
Tablero

Fisuras por concentración de tensiones

Fisuras bajo los alveolos (en vigas aligeradas)
Fisuras de cortante por excentricidad de los apoyos respecto a las
tipo viga en
Tableros

almas
cajón

Fisuración por contracción térmica diferencial entre losa inferior

delgada y almas (más gruesas)

55
 Fisuras en zonas de anclajes intermedios
Pandeo local
Pandeo general

Tableros metálicos
Fisuras de flexión
Deformaciones excesivas en elementos
Entallas o roturas locales en uniones
Ausencia de elementos de unión (pernos, remaches, soldadura…)
Corrosión
Mampostería

Agrietamiento en arcos y bóvedas

Formación de rótulas

Pérdida de resistencia de los cables

Atirantados

Deterioro de las protecciones de los cables (recubrimientos)

Fatiga
Variación en la tensión de los cables
Deformaciones excesivas del tablero
Corrosión en apoyos metálicos
Aparatos de apoyo

Despegue
Pérdida de posición teórica original
Elementos de unión

Exceso de compresión
Exceso de deformaciones o movimientos / tensiones
Pátinas
Rotura/insuficiencia de capacidad de las fijaciones
Movimiento impedido
movimientos
dilatación /
Juntas de

Degradación del material / ausencia de junta

Falta de estanqueidad
Mal estado de las fijaciones o su protección
pavimentos y acabados

Grietas y discontinuidades en pavimentos

Relacionados con

Roderas / Baches / IRI

Equipamiento,
equipamiento

Deterioro de barreras y protecciones y señalización (oxidación,

pintura, vandalismo…)
Rotura de barreras
Obstrucción de desagües
Humedades / eflorescencias / ataque químico

56
 5.5 Prototipo de sistema de monitoreo para tipología seleccionada

En concordancia con lo mencionado previamente en el estudio de la tipología representativa de la

red vial crítica del país, la cual se muestra en la Ilustración 5-2, y en base a un estudio del estado
del arte de diferentes aplicaciones de sistemas de monitoreo de puentes, se procede a definir un
prototipo de sistema de monitoreo.

El objetivo de este prototipo es conocer el comportamiento general de la estructura mediante un

monitoreo global del puente. Para esto, y siguiendo el diseño que se ha detallado en esta tesis, se
considera la caracterización de la estructura resuelta por el estudio de la tipología y sus daños
probables.

Se selecciona una estructura representativa de los puentes viales pertenecientes a la red vial crítica,
correspondiente a un puente recto, con superestructura de hormigón armado, cuatro vigas
pretensadas simplemente apoyadas, con un ancho de puente de 11.5 m, que cuenta con dos pistas
vehiculares, con dos tramos de 35.5 m entre apoyos, y una infraestructura de hormigón armado,
como se muestra en la figura 5-1.

5.5.1 Identificación de parámetros

Considerando los principales mecanismos de daños de los puentes, descritos en la sección 5.2
Análisis de daños en Tipología seleccionada, es necesario monitorear el comportamiento de la
estructura de manera global mediante sus formas modales, lo que puede permitir la detección y
localización de daños en la estructura. La mayoría de los efectos dinámicos en la estructura son
provocados por el tránsito de vehículos, aunque las cargas estáticas también aportan información
valiosa.

Según lo descrito en el documento, las fallas más probables de una estructura corresponden a la
socavación en alguno de los elementos de la infraestructura, daños en las vigas como fisuramiento
de estas o corrosión, daños en el tablero o en las juntas de dilatación.

Para conocer el comportamiento estructural del puente de forma global, es necesario dar
seguimiento de manera independiente a parámetros fundamentales como la deformación en ciertos
elementos estructurales del puente, como las vigas principales. Junto con esto se considera
necesario monitorear la inclinación de las pilas a fin de detectar eventuales procesos de socavación.

5.5.2 Selección de sensores

Para monitorear los parámetros descritos previamente, se considera la implementación de

acelerómetros, los cuales permiten conocer las aceleraciones de los puntos característicos
necesarios para obtener las formas modales de la estructura, información que puede ser
complementada con los desplazamientos obtenidos por sensores GPS. El análisis de las formas
modales de un puente se puede utilizar para conocer a grandes rasgos el comportamiento de la
estructura, lo que puede detectar daños a lo largo de la estructura mediante un monitoreo global de

57
esta. Para el monitoreo de la socavación de la estructura se seleccionan los inclinómetros,
instrumentos precisos que detallan el inicio y avance de socavación en el caso de que se provoque
este fenómeno, mientras que para evaluar los estados tensionales a lo largo de la estructura se
considera la aplicación de galgas extensiométricas ubicadas en las vigas de la estructura.

Considerando que los acelerómetros deben medir las vibraciones de la estructura de una manera
precisa, y que según lo descrito por la experiencia de monitorización en (Whelan, et al., 2007) las
aceleraciones percibidas por un puente similar, ya sea por cargas ambientales o de tráfico, varían
entre 2 mg y 10 mg, por lo cual los instrumentos deben corresponder a acelerómetros triaxiales, y
contar con una precisión de ±1 μG. El sistema GPS, a su vez, debe medir, por lo menos, en dos
ejes el desplazamiento de la estructura y poseer una precisión de ±0.3 mm. Para la evaluación de
los estados tensionales de la estructura, se requiere el uso de galgas extensiométricas con una
precisión de ±1.4 μƐ. Para la evaluación de inclinaciones, se requiere de inclinómetros con una
precisión de ±0.01°.

Se recomienda la utilización de sensores MEMS inalámbricos, como una alternativa de los sensores
convencionales, debido a que estos últimos requieren de una alimentación de poder directa la cual
en estructuras más alejadas podría resultar complejo e implicar una mayor inversión económica.
Los instrumentos inalámbricos presentan una instalación simple en la estructura, comparado con
los sistemas conectados, debido a su tamaño y aunque a veces la localización de estos puede ser
compleja, hoy en día existen en Chile camiones de inspección de puentes que facilitan esta tarea,
como se muestra en la imagen 5-3. Los sensores MEMS, debido a su tamaño, permiten colocar
varios sensores en un solo nodo, lo que facilita acoplar los acelerómetros con los sistemas GPS y
las galgas extensiométricas. Estos sensores tienen una demanda de energía menor, siendo capaces
de funcionar por más de un año y medio solamente con 2 pilas AA, lo cual, considerando un período
de mantención del sistema de monitoreo, es razonable, considerando que las concesionarias deben
realizar una inspección anual de sus estructuras viales. En consideración con lo mencionado, y
debido a la alta frecuencia de muestreo se recomienda un software tipo TinyOS para la conexión
entre los nodos de sensores inalámbricos MEMS.

Ilustración 5-3: Camión Inspección MOP (MOP, 2019).

58
La cantidad y ubicación de estos sensores en la estructura se determina en conformidad con lo
investigado en el capítulo 6 por (Mayorga, 2016), y en los documentos (Pérez, 2014) y (Pérez, et
al., 2012), los cuales requieren contar con un criterio fundamentado para definir la ubicación de los
puntos óptimos de medición. Estos se basan en el algoritmo del Método Independiente Equivalente
(Kammer, 1991) que permite calcular los puntos óptimos de medición donde se deben colocar los
acelerómetros en el tablero de un puente, de acuerdo a sus formas modales, para lo que se utiliza
la técnica de Descomposición en el Dominio de la Frecuencia (FDD, por sus siglas en inglés). De
esta manera, a partir de un número de puntos de medición definido se calculan los puntos óptimos
de medición en el tablero, como se muestra en la Ilustración 5-4.

Según lo analizado, se considera la instalación de 13 acelerómetros distribuidos según lo descrito

por la Ilustración 5-4 a lo largo del tablero, los cuales deberían ser capaces de obtener por lo menos
las primeras 4 formas modales de la estructura (Whelan, et al., 2009), los acelerómetros deben estar
instalados en el tablero de la estructura como se muestra en la Ilustración 5-4. Una galga
extensiométrica por cada viga, dando un total de 8 sensores, las cuales se instalan en la mitad de la
luz de cada viga y un inclinómetro por estribo y cepa, con un total de 3 sensores, los cuales deben
ubicarse en el centro de la cepa o estribo como se muestra en la Ilustración 5-5. Es necesario indicar
que los métodos utilizados no consideran sensores en los extremos debido a que los modos de
vibrar no presentan variaciones en tales lugares y los métodos se basan en dicha información para
establecer la ubicación óptima de sensores. Por tal razón, el diseñador debe aplicar su juicio y
experiencia en materia de diseño estructural y construcción para evaluar los resultados y efectuar
el ajuste necesario para contar con un diseño confiable. De acuerdo a este análisis, es necesario
instalar un sensor en cada extremo del tablero del puente para tener una aproximación global y
holística de la configuración deseada.

59
Ilustración 5-4: Vista superior de instalación de sensores.

60
 Ilustración 5-5: Vista Corte a L/2, instalación de sensores

Ilustración 5-6: Vista corte a L/4 instalación de sensores

5.5.3 Sistema de adquisición de datos

Para asegurar un correcto registro de datos, la frecuencia de muestreo no debe ser menor a 150 Hz,
por lo que se puede esperar, en base a lo descrito por (Whelan & Janoyan, 2009) y (Noel, et al.,
2017) que la transferencia de datos sea aproximadamente de 100 kbps de información sin procesar.
Para procesar la información se requiere de una estación de adquisición, transferencia y
almacenamiento temporal de la data recolectada por los sensores, esta estación suele estar
compuesta por un computador capaz de procesar la información, un emisor de señal telefónica para
transmitir los datos y una fuente de poder que puede corresponder a una batería de auto la cual es
capaz de sustentar el sistema de adquisición de datos durante un período concordable con el de los

61
sensores. El computador debe presentar características mínimas como un procesador i5 o
equivalente, una memoria RAM de 4 GB y un disco duro de 1 TB para ser capaz de almacenar la
información recopilada por los sensores.

El sistema de adquisición de datos se basa en el protocolo Zigbee (Noel, et al., 2017) para facilitar
la transferencia de datos entre los nodos inalámbricos y el sistema de procesamiento de datos, el
cual considera un sistema Wi-Fi para la transferencia de datos entre los nodos presentes en la
estructura y una transferencia de datos mediante red celular para la transferencia al sistema de
procesamiento.

5.5.4 Análisis de Salud y Diagnóstico

Considerando que no existe un modelo computacional de la estructura y en base a la información

que se obtendrá mediante los sensores por colocar en el puente, se procede a definir como método
de análisis de la salud estructural el método basado en la forma modal moderno de dimensión
fractal (Wei & Pizhohg, 2013) junto con un estudio estadístico de los datos, el cual genera una base
de datos de valores medios de las mediciones a ser comparados con datos futuros.

La definición de alarmas se basa en los límites normales de operación, donde se calcula la media
representativa de un cierto período de tiempo, para definir la cantidad y rangos de los límites, junto
con límites de diseño. Otro método a emplear corresponde a la simulación Monte Carlo, el cual es
un análisis que predice el comportamiento de las líneas de tendencia de la deformación en las galgas
extensiométricas de las vigas principales.

62
 6. Documento técnico

En el capítulo presente se detalla una propuesta de documento técnico con recomendaciones

preliminares para llevar a cabo el monitoreo de los puentes pertenecientes a red de transporte de
Chile, el cual se debe considerar como el corolario de esta memoria.

6.1 Antecedentes Generales

Un sistema de Monitoreo de la Salud estructural (SHM) corresponde a un medio para caracterizar

el desempeño de una estructura, considerando a la vez la detección de daños durante el tiempo, lo
que permite obtener información sobre la integridad de la estructura. Un sistema de SHM consiste
en una red de sensores, un sistema de adquisición de datos y un sistema responsable del análisis e
interpretación de los datos, mediante análisis de las mediciones, un análisis de límites admisibles,
estadísticos u otros.

El objetivo de un SHM es monitorear in situ el comportamiento de una estructura de manera precisa

y eficiente para verificar su rendimiento bajo diferentes cargas de servicio, lo que le permite
detectar deterioro en la estructura o la progresión del daño durante el tiempo y así conocer su
condición actual. La información obtenida por este sistema debe ser incorporada en estrategias de
mantención y manejo de la estructura.

El monitoreo estructural se puede diferenciar en monitoreo local o global, donde el monitoreo local
se centra en determinar el comportamiento de los componentes más vulnerables de la estructura
cuantificando el daño y su desarrollo en el tiempo e identificar las causas de estos, mientras que el
monitoreo global tiene como principal función detectar la existencia de daño a lo largo de toda la
estructura y localizarlo, de una manera cuantitativa, mediante la recolección de información del
puente.

La identificación de daños de un sistema de monitoreo estructural considera 4 niveles, donde el

alcance del sistema de monitoreo estará definido por la complejidad de este. Los niveles
considerados son los siguientes:

1. Detección de daño.
2. Localización.
3. Cuantificación: determinación de la severidad del daño.
4. Pronóstico: predicción de la vida útil de la estructura.

63
6.2 Consideraciones

Debido a la cantidad de datos que puede generar un sistema de monitoreo estructural, es necesario
considerar que un SHM que utiliza una menor cantidad de sensores con un análisis de los datos
adecuado es más práctico y útil para conocer el estado de una estructura, que un sistema con una
red de sensores compleja y un análisis deficiente, ya que se disminuye la cantidad de información
que se requiere manejar y el análisis entrega datos prácticos.

Un diseño genérico de un SHM se puede dividir en:

 Caracterización de la estructura: Corresponde a la etapa donde se describe la información

de diseño, cargas, mantenciones, etc., para lo cual es necesario considerar:
o Dimensiones físicas.
o Determinación de rangos esperables de deformaciones y cargas.
o Estudio de condiciones ambientales a las que se verán enfrentados los sensores.
● Identificación del fenómeno a medir: Etapa donde se determinan los efectos internos y
externos provocados por las cargas en la estructura y se definen los puntos y componentes
de la estructura donde se medirán estos parámetros.
● Selección de sensores: Etapa donde se debe identificar las condiciones a las cuales se verán
afectados los sensores y los sensores a utilizar, de manera de definir un sistema de
monitoreo apropiado a las condiciones a largo plazo al cual se podría ver sujeta la
estructura.
● Sistema de adquisición de datos: Para la implementación de este sistema, se debe considerar
el hardware, software, precisión, velocidad, resolución y el sistema de comunicación entre
los diferentes instrumentos.
● Manejo de datos y selección del método de pre-procesamiento de la señal: En esta etapa se
realiza una normalización y acondicionamiento de la señal, mediante filtros. Junto con esto,
debido a la gran cantidad de datos, se pueden implementar sistemas estadísticos para
representarlos sus resultados.
● Análisis de salud y diagnóstico: Como etapa final, se realiza un análisis de salud de la
estructura, donde los daños de mayor envergadura pueden ser detectados por métodos
estadísticos, mientras que para una detección temprana de daños se requiere de métodos de
procesamiento de datos como el análisis de wavelet, análisis modal, de vibración, entre
otros. El diagnóstico apunta a clasificar la ubicación, el tamaño y el tipo de daño.
Finalmente, se deben presentar datos de manera tal que sea comprensible y fácil de
entender.
En la Tabla 6.1 y 6.2 se presentan los principales parámetros de deterioro y la clasificación de daño
de los puentes, según sus elementos, lo cual se debe considerar para definir los parámetros a
monitorear con el sistema de SHM.

64
 Tabla 6-1: Parámetros de deterioros según elementos del puente (MOP, 2019)

PARÁMETRO

Cimentación
Profundidad de socavación
SUBESTRUCTURA

Desplazamiento vertical del estribo

Inclinación estribo
Estribos

Presión del terreno en los muros

Desplazamiento diferencial entre estribos y aletas

laterales

Presión en el murete de guarda

Desplazamiento vertical pilas
Inclinación de pila
Pilas

Abertura de fisura en la unión de pila y tajamar

Aberturas de fisura (resto)
Desplazamientos en elementos del tablero
Tablero de
vigas

Corrosión (Intensidad de corriente eléctrica)

Abertura de fisuras
SUPERESTRUCTURA

Pérdida de Recubrimientos
Tablero tipo losa

Abertura de fisuras
Tableros tipo viga en
cajón

Abertura de fisuras

65
 Acortamiento por pandeo de elementos

Tableros metálicos
Abertura de fisuras
Deformaciones excesivas en elementos
Roturas locales
Corrosión (Intensidad de corriente)
Mampostería Abertura de fisura en arcos y bóvedas

Formación de rótulas

Elongación de los cables

Atirantados

Deterioro de las protecciones de los cables

(recubrimientos)
Tensión en los cables
Deformaciones excesivas en elementos
Corrosión en apoyos metálicos
Aparatos de
Elementos de unión

apoyo

Desplazamientos y tensiones

Desplazamientos en elementos del tablero

movimientos
Juntas de

Mal estado de las juntas y/o aparatos de apoyo

Equipamiento, pavimentos y

Mal estado del pavimento

Relacionados con
equipamiento

Desconchamientos de pintura y corrosión en

acabados

elementos (intensidad de corriente, precipitación,

humedad ambiental y temperatura)

Mal estado de desagüe (precipitación)

Humedades / eflorescencias / ataque químico (pH)

66
 Tabla 6-2: Clasificación de deterioros según elementos del puente (MOP, 2019).

DETERIORO
Cimentación Descalce de cimentaciones superficiales (zapatas, losas,
etc.)

Socavación en cimentaciones profundas (pilotadas,

pantallas…)

Asiento vertical del estribo

Giro del estribo según eje transversal
SUBESTRUCTURA

Giro del estribo según eje longitudinal

Estribos

Empuje excesivo sobre los muros

Diferencia de desplazamientos entre estribos y aletas
laterales

Empuje excesivo sobre el murete de guarda

Asiento de pilas
Giro de pila según eje transversal
Giro de pila según eje longitudinal
Fisuración en la unión de pila y tajamar
Pilas

Fisuración por pandeo

Fisuración por compresiones excesivas
Fisuración por cortante

Fisuración por impacto

Deformaciones excesivas en elementos del tablero

SUPERESTRUCTURA

Tablero de vigas

Daños por corrosión en vigas

Fisuras por asiento plástico

Fisuras por arrastre de cortante

Fisuración por fallo de adherencia anclaje

67
 Tablero tipo losa
Descascarillamientos
Fisuras por concentración de tensiones

Fisuras bajo los alveolos (en vigas aligeradas)

Tableros tipo viga en
Fisuras de cortante por excentricidad de los apoyos
respecto a las almas
cajón

Fisuración por contracción térmica diferencial entre losa

inferior
delgada y almas (más gruesas)
Fisuras en zonas de anclajes intermedios
Pandeo local
Pandeo general
Tableros metálicos

Fisuras de flexión
Deformaciones excesivas en elementos
Entallas o roturas locales en uniones
Ausencia de elementos de unión (pernos, remaches,
soldadura…)
Corrosión

Agrietamiento en arcos y bóvedas

Mampostería

Formación de rótulas

Pérdida de resistencia de los cables

Deterioro de las protecciones de los cables
(recubrimientos)
Fatiga
Atirantados

Variación en la tensión de los cables

Deformaciones excesivas del tablero

68
 Corrosión en apoyos metálicos

Aparatos de apoyo
Despegue
Pérdida de posición teórica original
Elementos de unión

Exceso de compresión
Exceso de deformaciones o movimientos / tensiones
Pátinas
Rotura/insuficiencia de capacidad de las fijaciones
Movimiento impedido
movimientos
dilatación /
Juntas de

Degradación del material / ausencia de junta

Falta de estanqueidad
Mal estado de las fijaciones o su protección
Equipamiento, pavimentos

Grietas y discontinuidades en pavimentos

Relacionados con

Roderas / Baches / IRI

equipamiento

y acabados

Deterioro de barreras y protecciones y señalización

(oxidación, pintura, vandalismo…)
Rotura de barreras
Obstrucción de desagües
Humedades / eflorescencias / ataque químico

6.3 Caracterización de una estructura para fines de

instrumentación

En esta etapa se debe detallar las dimensiones físicas tanto de la estructura como de sus elementos,
junto con la condición actual de la estructura, la cual se puede evaluar mediante inspecciones
visuales en conjunto a un modelo computacional para estimar cuales serían los potenciales
mecanismos de daños probables de una estructura. Se deben considerar las cargas que se aplican a
la estructura (estáticas y dinámicas), identificar los elementos estructurales cargados, los detalles
constructivos, los puntos problemáticos y los daños existentes en la estructura. Entre otros aspectos,
se debe verificar que elementos podrían ser especialmente susceptibles a efectos ambientales como
efectos de corrosión, socavación, humedad, etc.

Es necesario considerar las cargas, deformaciones y desplazamientos que ocurren en la estructura

debido a la interacción con sus apoyos o por efectos externos como temperatura, las cuales causan
esfuerzos en los componentes estructurales que deben ser considerados en el sistema de SHM. Es
necesario conocer las cargas aplicadas a una estructura para evaluar la capacidad de esta, lo que

69
 permite determinar límites de fatiga asociados al tiempo de vida residual de los componentes de
una estructura en mal estado y/o identificar cuáles son las deformaciones, desplazamientos o
aceleraciones limites que gatillan que la estructura alcance su resistencia admisible en términos de
fuerzas o deformaciones de la estructura como un todo o de los componentes estructurales que
tienen un rol fundamental en la respuesta estática o dinámica y/o estabilidad del puente.

Las medidas necesarias para la determinación de los efectos de las cargas están ajustadas de
acuerdo con las condiciones físicas y de las cargas que han sido adoptadas para el diseño estructural
o evaluación. A continuación, se analizan diferentes medidas para sus respectivas cargas:

● Las cargas de peso propio se pueden determinar conociendo la distribución de masa de los
pesos propios a lo largo de la estructura.
● Los efectos térmicos requieren conocimiento sobre la distribución de temperatura en la
estructura.
● Las fuerzas de restricciones debido a desplazamientos provocados por asentamientos o
cambios espaciales en los estribos usualmente son resultados de cargas constantes y
variables que ocurren simultáneamente. Para su evaluación se requiere una investigación
metrológica (dimensiones) de los respectivos desplazamientos en conjunto con un estudio
de mecánica de suelos.
● La resistencia que se desarrolla en la estructura frente a cargas provocadas por viento o
agua, causan acciones en la estructura, donde la magnitud de las cargas es función de la
energía cinética de los flujos medios (Flow media) y la superficie de transmisión (área de
contacto del flujo y la estructura). Para identificar estas acciones, es necesario establecer la
distribución de velocidades de flujo (agua o viento).
● Las cargas de tráfico que tienen componentes dinámicas requieren de sistemas de
mediciones para determinar sus efectos en la estructura (e.g., carga móvil). Generalmente
se miden tensiones y deformaciones de la estructura para comparar resultados. A la vez, es
importante conocer el flujo de tráfico, mediante la medición de la velocidad de movimiento
y distancia entre vehículos.
● Vibraciones, colisiones, explosiones y cargas sísmicas generan efectos dinámicos
correspondientes en magnitud y en propiedades dinámicas con las cargas y la estructura.
Para esto, es necesario medir velocidades y/o aceleraciones.

6.4 Selección de sensores

Para realizar un sistema de SHM, es necesario utilizar sensores para medir la respuesta de diversos
componentes. Existe una gran diversidad de sensores en el mercado actual para la aplicación en un
sistema de monitoreo de puentes. A continuación, se presenta la tabla 3 con las principales
características de los sensores más utilizados en aplicaciones reales, junto con una descripción
correspondiente.

Tabla 6-3: Selección de Sensores.

Sensor Acelerómetros Fibras Ópticas GPS Sensor AE Strain Gauges Inclinómetros

70
 Desplazamientos,
Aceleración, localización de
Fenómeno a Emisiones
desplazamiento grietas, esfuerzos, Desplazamientos Esfuerzos
medir acústicas Inclinaciones
relativo inclinación,
temperatura.

Monitoreo Global Global/Local Global Local Global/Local Global/Local

Instalación simple compleja simple compleja simple Simple

esfuerzos: ±1.2
H:±5 (mm),
precisión ±0.001 (g) (µƐ), aceleración ±1.5 (dB) ±1.2 (µƐ) 0.005°
V:±10 (mm)
0.1 (g)
alimentación DC: 5 (V) AC/DC AC/DC AC/DC AC/DC AC/DC
esfuerzos:
Rango de ±1.7, ±5, ±18 ±2500µƐ, H:±3 (mm),
-63/80 (dB) ±1.2 (µƐ) ±3°
mediciones (g) aceleraciones: V:±5 (mm)
±10g
Mediciones
infructuosas
Sensible a
para señales frecuencias
análisis de datos sensible a ruido cambios de
Limitaciones con menores a 20
complejo ambiental temperatura
componentes (Hz)
ambiental
menores a 0.2
(Hz) (estáticas)
Utilización de
Requisitos Requerimiento de Base de Radio varios sensores
técnicos multiplexer externa para identificar
fallas

 Acelerómetros: Instrumento que permite determinar la aceleración que experimentan las

estructuras, que sirven para determinar vibraciones de alta frecuencia generadas por cargas
ambientales tales como tráfico, viento, sismos, impactos, etc. Estos sensores se suelen
utilizar para un monitoreo global de las estructuras, presentándose como el método
convencional para estudios dinámicos o monitoreo de gran escala. Es necesario considerar
que el acelerómetro empleado en sistemas de SHM debe presentar un rango de medición
máximo mayor al máximo valor de amplitud que puedan ocurrir debido a las vibraciones
extraordinarias (como sismos) a las cuales se verá sujeta la estructura durante la vida útil
de la estructura o del sistema de SHM. De igual forma se requiere que su rango dinámico
sea alto y su nivel de ruido basal sea bajo de manera de analizar la estructura ante acciones
ambientales, a la vez, se recomienda el uso de acelerómetros de baja sensibilidad para
vibraciones de alta amplitud, mientras que para vibraciones de baja amplitud se
recomiendan acelerómetros de alta sensibilidad.
 Fibra óptica: Instrumento que corresponde a una hebra delgada de material dieléctrico
capaz de conducir y transmitir impulsos luminosos, los cuales sirven de indicadores para
sistemas de monitoreo global y local de esfuerzos o desplazamientos, aceleraciones,

71
 temperatura e inclinación. Existen diferentes tipos de fibras ópticas como las fibras OTDR
(Optical Time-Domain Reflectometry) las cuales permiten determinar desplazamientos y
detección de grietas de manera local, y las fibras FBG (Fibras Bragg Grating) que son las
más versátiles, capaces de medir deformaciones, esfuerzos, variaciones térmicas e
inclinación de manera local y global en la estructura (empleando instrumentos discretos y
complementarios). Las fibras ópticas se destacan debido a su estabilidad, sensibilidad
adecuada, insensibilidad a pulsos magnéticos y capacidad de medir varios puntos a la vez.
 GPS: Sistema que permite conocer los desplazamientos absolutos de la estructura, capaz
de obtener las propiedades dinámicas de los puentes, como frecuencia natural y formas
modales, es decir, aplicable para monitoreo global de la estructura. Este sistema es una
forma apropiada para monitorear grandes deflexiones en las estructuras con bajas
frecuencias de vibrar. Cabe mencionar que el uso de GPS requiere del uso de varios puntos
de medición en un puente de manera de poder determinar las deformaciones relativas de la
estructura.
 Sensores de emisiones acústicas: Sensores capaces de detectar ráfagas de energía llamadas
emisiones acústicas, las cuales son provocadas por un emisor y que son consecuentemente
detectadas por varios sensores receptores en la estructura. Cambios en los patrones de las
escalas de amplitud y tiempo de las ondas emitidas y recepcionadas pueden ser asociadas
a daños locales. Estos sensores son útiles para monitoreo local de un puente, es decir, para
detección de daños locales como la formación y crecimiento de grietas o daños en las barras
pretensadas.
 Galgas extensiométricas (Strain gauges): Instrumento utilizado para la medición de
deformaciones unitarias en el elemento y punto al cual está adherido, el cual puede ser
implementado en sistemas de monitoreo global y local.
 Inclinómetros: Instrumento que permite monitorear los movimientos y rotaciones
estructurales de hasta 0.005°, permitiendo medir la inclinación de un puente bajo
condiciones de tráfico normales. Estos sensores son altamente sensibles y de fácil
instalación.
Tecnologías MEMS (Micro Electro Mechanical System) pueden ser aplicadas para considerar
diversos sensores de monitoreo simultáneamente como los acelerómetros, inclinómetros y galgas
extensiométricas, entre otros, lo que genera sensores de menor tamaño y con menor demanda de
energía, lo que facilita su instalación, manejo y mantención.

6.5 Posicionamiento óptimo de sensores

Es necesario considerar el posicionamiento de los sensores dentro del SHM debido a que una
correcta localización de los sensores permite obtener la información adecuada para conocer el
comportamiento de la estructura. Existen diferentes métodos para estimar los parámetros modales
basados en la respuesta vibratoria de la estructura, los cuales buscan optimizar la cantidad de
sensores requerida junto con su posicionamiento adecuado, los métodos se mencionan a
continuación:

72
  Método EI: El método de influencia efectiva (Effective Influence) es uno de los métodos
más utilizados en técnicas de ensayos dinámicos y actualización de modelos estructurales,
junto con el posicionamiento adecuado de n sensores en una estructura. El método se basa
en determinar un índice de influencia efectiva (EI) para cada posición de los sensores, el
cual representa la contribución respectiva de cada sensor para la identificación de las
formas modales (Kammer, 1992).
 Método EI-DPR: El coeficiente DPR (Driving Point Residue) se incorporó al método de
influencia efectiva para evitar la selección de ubicación de sensores donde se presenta una
baja energía, la cual corresponde a uno de los limitantes del método previo (BinBin, et al.,
2011).
 Método KE: El método de energía cinética (Kinetic Energy) es un método similar al de
influencia efectiva, pero considera la distribución de masa del sistema para el análisis
(Chan, et al., 2006).

6.6 Sistema de adquisición de datos

El sistema de adquisición de datos se encarga del proceso donde la información obtenida por los
sensores es acondicionada, recolectada, digitalizada y transmitida para un análisis profundo e
interpretación, facilitando el flujo de información desde la red de sensores hasta el computador.
Existen dos técnicas que se destacan para el monitoreo estructural: “data logging” y “decentralized
data aggregation”.

En “data logger” se utilizan instrumentos que demodulan la señal de varios sensores, recolectan la
información, la condicionan, digitalizan y almacenan. En este proceso, los datos son adquiridos
localmente por los sensores en los nodos, para luego enviarla individualmente a la estación base,
donde se puede analizar junto con el historial de tiempo de cada medida. Este método utiliza de
mejor manera la transmisión de banda ancha, pero el tiempo de procesamiento puede ser
significantemente mayor.

En el segundo método, que corresponde a una adquisición de data en tiempo real, los datos de cada
sensor se adquieren y se procesan localmente, usualmente en nodos encargados de un vecindario
de sensores, para luego reenviar la información procesada a un módulo de salida. Este método
reduce la demanda de poder al disminuir el tamaño de información transmitida, pero no permite un
historial completo de tiempo. Este sistema permite acceder a los datos entre los intervalos de
muestreo, mientras que otros métodos presentan un retraso debido a que deben terminar todos los
intervalos antes que la información esté disponible.

Para la definición del sistema de adquisición de datos, es necesario considerar los siguientes
aspectos:

 Arquitectura: La arquitectura de un sistema de adquisición de datos debe considerar nodos

de sensores que sean capaces de obtener información desde la estructura, el conversor
análogo-digital dentro del propio modulo, la transmisión a la estación base, donde la

73
 información puede ser almacenada temporalmente y tratada para ser enviada a un servidor
base que efectúa el análisis profundo de los datos.
 Conversión análogo-digital: Para la obtención de la información de los sensores análogos
es necesario implementar un instrumento que sea capaz de transformar los datos análogos
en digitales para que puedan ser posteriormente procesados en las siguientes etapas del
monitoreo.
 Alimentación de poder: El sistema de obtención de datos, tanto los sensores como los
módulos de transmisión, deben tener un sistema de alimentación de poder por cable o
mediante baterías, donde los sistemas conectados presentan un mayor costo y tiempo de
instalación, mientras que los sistemas inalámbricos dependen directamente de la duración
de las baterías. Cabe mencionar que para implementar un sistema de SHM se debe tener
una fuente de energía a largo plazo por cuanto se requiere de una conexión directa con el
sistema eléctrico (reforzado por baterías y UPH en cortes de luz) y/o ser alimentados por
fuentes de energías instaladas en la estructura o en sus cercanías como lo son los paneles
solares o los sistemas eólicos.
 Implementación de red de sensores inalámbricos: La implementación de un sistema
inalámbrico de SHM debe considerar una limitación en el tamaño de señal transmitida por
cada sensor, junto con la cantidad de canales a utilizar para facilitar el proceso de
adquisición de datos. Las ventajas de un sistema inalámbrico se encuentran en la facilidad
de instalación, la posibilidad de aumentar la cantidad de sensores a utilizar en una
estructura, un menor mantenimiento, permite una distribución del procesamiento e
interpretación de los datos a lo largo de los nodos de la red y se pueden presentar fallas
locales sin necesariamente afectar a otros nodos. Como desventaja se destaca su vida útil,
que está limitada por la duración de la batería. Se recomienda la utilización de la familia de
normas inalámbricas IEEE 802.11 (IEEE , 2009), correspondientes a las normas
implementadas por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, junto con esto,
existen protocolos de conexiones inalámbricas como ZigBee y protocolos de recolección
de data, sincronización de nodos y transferencia de la información como TinyOS.
 Sistemas de monitoreos conectados: Los cuales implican un tiempo de instalación que para
situaciones de monitoreo a largo plazo de una estructura son marginales, que corresponde
al sistema más confiable y más utilizado a lo largo de la historia de la instrumentación de
puentes, pero requiere de una fuente de alimentación de poder en la estructura.
 Sistema de transferencia de datos: la transferencia de datos se puede implementar mediante
una red área local (LAN) como Wi-Fi, regido por las normas IEEE 802.11, utilizando
frecuencias entre 2,4 GHz y 5 GHz, y mediante una red de celular de área extensa (WAN),
adicionalmente existen opciones satelitales o de radiofrecuencia.

6.7 Manejo de Datos y Procesamiento de Datos

Los datos se miden mediante señales analógicas, donde ocurre una conversión a datos digitales, la
cual debe ser comúnmente filtrada y acondicionada. Se pueden desarrollar las siguientes tareas
(SAMCO, 2006):

74
 ● Filtro pasa altos y bajos: para filtrar ruido y efectos de variaciones de temperatura, entre
otros.

● Filtro pasa banda: para filtrar frecuencias sensibles para la estructura.

● Integración: para convertir señales de aceleración en velocidad y desplazamiento.

● Generador de parámetros: cálculo de promedio, desviación estándar y valores máximos,

entre otros.

● Análisis de frecuencias: determina el contenido espectral de la señal de respuesta en el

tiempo.

6.8 Métodos dinámicos para el análisis de salud y diagnóstico de

la estructura

Los métodos de análisis de datos corresponden al último proceso de un sistema de SHM y permiten
obtener el estado de la salud estructural de un puente. En esta etapa se analizan los datos ya filtrados
pudiendo efectuar, dependiendo del nivel de complejidad del SHM, la detección de daño y la
localización de este en una estructura.

Los métodos dinámicos se basan en el principio que el daño provoca cambios en las propiedades
físicas de la estructura (masa, rigidez y amortiguamiento), los cuales generan cambios detectables
en las propiedades modales de la estructura. Estos métodos pueden depender de un modelo
numérico calibrado de la estructura, como también puede que se basen en resultados que se
obtengan exclusivamente de los datos recopilados por los sensores.

Las características dinámicas que se establecen mediante el monitoreo de vibraciones corresponden

a propiedades globales de la estructura, que suelen ser poco sensibles a daños locales. Por esta
razón, los daños locales pueden ser obviados a menos que sean severos. Las vibraciones globales
suelen estar más afectadas por daños y/o efectos globales, incluyendo efectos ambientales como
cambios de temperatura, humedad o variaciones de masa (e.g., tráfico vehicular en el caso de
puentes).

Los métodos utilizados para obtener información sobre la condición de una estructura por
mediciones en las propiedades de vibración incluyen:

6.8.1 Métodos basados en la frecuencia natural

Este método utiliza las frecuencias naturales de la estructura como base para la determinación de
daño, ya que la frecuencia natural puede ser determinada mediante la medición de algunos puntos
característicos de la estructura y usualmente están menos contaminados por ruido experimental
(Wei & Pizhohg, 2013). Existen diferentes revisiones del uso del cambio de la frecuencia natural

75
en la identificación de daño, como se muestra en (Salawu, 1997). El método se basa en que
cualquier daño generado en una estructura se asocia directamente con una reducción de la rigidez
de la estructura, lo que implica reducciones anormales de las frecuencias naturales y es por esto
que representa uno de los parámetros más utilizados en la detección de daños (Magalhaes, et al.,
2012).

El proceso consiste en calcular la disminución de la frecuencia para un cierto tipo de daño conocido
que se modela matemáticamente y se comparan las frecuencias medidas con las frecuencias
calculadas, donde se requiere de modelos computacionales para calcular las frecuencias de los
diferentes modos de vibración, tanto para el estado no dañado como para los diferentes escenarios
de daño planteados (Paredes, 2013).

Como principal ventaja de este método se puede mencionar que las frecuencias naturales de una
estructura son relativamente fáciles de medir; sin embargo, aunque es posible detectar la existencia
de daño, la localización de daños se complejiza debido a que dos daños localizados en distintos
sitios de la estructura puede ocasionar el mismo decremento en la frecuencia natural, que un único
daño localizado en un solo sitio de la estructura (Paredes, 2013). Es necesario mencionar que daños
estructurales o globales que generen cambios menores al 1% de la frecuencia natural son
prácticamente imperceptibles si solo se utiliza un análisis de frecuencias.

Una de las limitaciones de estos métodos es la dependencia del modelo estructural donde se
incluyan los daños, junto con esto, el rango de los modos de vibración que es aplicable para la
detección de daños corresponde solo a los primeros modos de vibrar (Wei & Pizhohg, 2013). Otra
limitación corresponde a que los cambios en la frecuencia provocados por daño en la estructura
suelen ser pequeños y pueden pasar desapercibidos como ruido ambiental. Finalmente, la
frecuencia natural de una estructura se ve influenciada por efectos ambientales como temperatura,
humedad o viento, por lo cual es necesario aplicar métodos para eliminar estos efectos presentados
en (Deraemaeker, et al., 2008), (Magalhaes, 2010).

6.8.2 Métodos basados en la forma modal

Los métodos dinámicos funcionan en base a señales obtenidas de sensores dentro de la estructura
y el desarrollo de un modelo estructural preciso (e.g., modelo de elementos finitos), permite definir
formas modales teóricas (Reda Taha, et al., 2014).

Es necesario mencionar que las formas modales contienen información local de la estructura, lo
que los hace más sensibles a detectar múltiples daños en la estructura, además las formas modales
son menos sensibles a efectos provocados por ruido ambiental (Wei & Pizhohg, 2013).

Durante la historia del SHM se han utilizado dos métodos de detección de daños en base a la forma
modal de la estructura, el método tradicional y el método moderno. El método tradicional intenta
establecer una relación entre la detección y localización de daños con un modelo computacional de
la estructura, por ejemplo, un modelo de elementos finitos, por lo cual, dependen de información
de la estructura no dañada y con daños. Por otra parte, el método moderno se puede aplicar
directamente a los datos obtenidos de estructuras dañadas, donde detectan el daño en la estructura

76
mediante la localización de discontinuidad en la forma modal de la estructura, que es provocado
por el daño correspondiente (Wei & Pizhohg, 2013).

Entre los métodos modernos se puede destacar la utilización del método de dimensión fractal (FD),
el cual propone un algoritmo de detección de daño usando el FD de la estructura. La ubicación del
daño y su tamaño se puede determinar mediante un peak en la curva de FD, la cual indica la
irregularidad local de la forma modal, generada por daño (Wei & Pizhohg, 2013).

Como desventaja se puede mencionar que para detectar la forma modal de una estructura, es
necesaria la implementación de un sistema más amplio de sensores en el puente, junto con que la
detección de daño en el método tradicional solo sirve de forma preliminar y debe ser justificado
mediante otros métodos como el análisis de la frecuencia natural (Wei & Pizhohg, 2013).

6.8.3 Métodos basados en emisiones acústicas

El método de emisiones acústicas se basa en la detección del movimiento dinámico en la superficie

de una estructura, las cuales se generan por ondas elásticas de tensiones que son generadas por la
liberación espontánea de energía elástica acumulada de fallas en elementos de la estructura
(Czichos, 2013).

Este método monitorea la respuesta dinámica del material frente a cargas aplicadas o ambientales,
de una manera pasiva, permitiendo la detección de fuentes activas y procesos de degradación que
evolucionan con el tiempo. Se puede aplicar como monitoreo local, para detección de grietas,
corrosión, entre otros, o para un monitoreo global de la estructura, siendo capaz de detectar defectos
crecientes (Czichos, 2013).

Para analizar las emisiones acústicas se requiere de sensores piezoeléctricos de recepción acústicas,
los cuales deben ser colocados estratégicamente en la estructura. Estos sensores convierten las
ondas sonoras en una señal eléctrica para luego ser procesada por métodos computacionales
(Yapar, et al., 2015).

Para la detección de mecanismos que provocan emisiones acústicas dentro de la estructura existen
métodos de clasificación e identificación como el análisis de amplitud de peak de la señal, la
energía y duración de la señal y los métodos avanzados como la aplicación de la FFT (Fast Fourier
Transform), análisis de la onda modal o reconocimiento estadístico de patrones mediante emisiones
como se muestra en (Miller & Hill, 2005), (Ono, 2007).

6.8.4 Métodos basados en la Transformada de Fourier

La transformada de Fourier es una herramienta matemática que permite obtener, a partir de una
función continua en el tiempo, otra función continua, que contiene toda la información de la
primera, pero en el dominio de la frecuencia. La función se denomina espectro de Fourier y
representa la manera como la medida de amplitud relativa de la señal se distribuye con la frecuencia
(Viviescas, et al., 2017). Debido a que los elementos de procesamiento digitales trabajan de forma

77
discreta, se utiliza la transformada discreta de Fourier (DFT), que consiste en un muestreo uniforme
en la frecuencia de la transformada de Fourier.

La DFT permite transformar una función en tiempo discreto, en otra función en el dominio de la
frecuencia discreta. Es importante tener en cuenta que para aplicar la DFT, se debe definir la
frecuencia a la cual se muestrea la señal continua y el número de muestras de la señal en el tiempo
para obtener una resolución en frecuencia adecuada (Arias, 2015).

Otro método que se basa en la transformada de Fourier corresponde a la transformada rápida de

Fourier (FFT), la cual corresponde a una de las más utilizadas en SHM debido a que se puede
implementar rápidamente y es considerada una técnica eficiente para analizar señal. La FFT
convierte muestras discretas de una señal continua en una representación en el dominio de la
frecuencia. Como desventaja se puede mencionar que presenta problemas en situaciones donde la
estructura se ve afectada por excitaciones dinámicas, debido a que la señal de monitoreo de la
estructura excitada presenta una señal no lineal que no puede ser modelada en FFT (Amezquita &
Adeli, 2014). Se presentan aplicaciones de FFT para análisis de señales de monitoreo de puentes
en (Brincker , et al., 2001), (Lee, 2007), (Hu, et al., 2013).

6.8.5 Métodos basados en la transformada de Wavelet

La transformada de Wavelet corresponde a una técnica de procesamiento de señales que ha sido

capaz de superar las principales limitaciones de la Transformada de Fourier, como indicar el tiempo
de ocurrencia de una señal transiente, ya que la transformada de Fourier solo se basa en información
de la frecuencia de la señal. La transformada de Wavelet tiene la habilidad de entregar información
de tiempo y frecuencia de una señal de manera precisa (Reda Taha, et al., 2006).

El análisis de wavelet básicamente consiste en tomar la función wavelet, comparándola con la señal
original, hallando correlación entre ambas. La función wavelet, se escala y se vuelve a comparar
con la señal original, donde el escalado corresponde a una compresión o estiramiento de la función
wavelet, afectando la seudo-frecuencia de la misma. Teniendo entonces la seudo-frecuencia de la
función wavelet para cada escala, se puede identificar las frecuencias características de la señal,
buscando coeficientes de correlación alto (Tischer, et al., 2007).

Existen diferentes métodos que aplican la transformada de Wavelet en la detección de daños, a

continuación, se presentan 3 métodos con aplicaciones reales mayor detalle en (García, 2016).

 Método basado en la transformada continua de wavelet (CWT): La CWT sirve de base para
un procedimiento de detección de daño basado en la premisa que el daño debido a una
pérdida repentina de rigidez puede ser detectada mediante formas modales con coeficientes
wavelet que desarrollan grandes amplitudes en la localización del daño (Lazcano, et al.,
2011).
 Método del análisis discreto de Wavelet (DWA): El procedimiento de detección de daño
DWA consiste en seleccionar una wavelet adecuada y en base a ella aplicar el algoritmo
Transformada Rápida Wavelet (FWT por sus siglas en inglés) a una señal en función del

78
 espacio (forma modal) para encontrar un árbol de descomposición wavelet de la señal
(Lazcano, et al., 2011).
 Método basado en paquetes de Wavelets (WPS): Este método está basado en la
Transformada Wavelet por paquetes para la localización del daño en estructuras. En dicho
método, denominado Método Basado En Paquetes Wavelets (WPS, por sus siglas en
inglés), es requerida la respuesta dinámica de la estructura para las condiciones exentas del
daño y el estado actual (Lazcano, et al., 2011).

6.8.6 Métodos basados en estudio estadísticos

Los modelos estadísticos son utilizados para desarrollar modelos matemáticos basados en los datos
obtenidos, estos se dividen en lineales y no lineales, donde los modelos lineales corresponden a los
modelos más utilizados en SHM para el procesamiento y evaluación de la estructura bajo cargas
dinámicas, debido a que pueden ser implementadas fácilmente y se consideran una técnica
eficiente. Entre los modelos lineales más frecuentes se puede encontrar modelos como el modelo
autorregresivo (AR), promedio móvil (Moving-Average, MA) y el promedio autorregresivo móvil
(ARMA), entre otros (Amezquita & Adeli, 2014). Se puede analizar aplicaciones de métodos
estadísticos en (Carden, 2008) y (Nair & Kiremidjian, 2006).

Como ventaja se puede mencionar que los métodos estadísticos son fáciles de implementar y existe
una diversidad de modelos que se pueden implementar para SHM. Como desventaja se puede
mencionar que los métodos estadísticos pueden ser sensibles al ruido ambiental (Amezquita &
Adeli, 2014).

Entre los métodos estadísticos también se presentan los métodos de detección de daños basados en
momentos estadísticos (SMBDD por sus siglas en inglés), a continuación, se presentan dos casos
donde se aplican estos métodos (García, 2016).

 SMBDD en el dominio de la frecuencia: El principio básico del método de SMBDD es

identificar los parámetros de rigidez de una estructura antes y después de la ocurrencia de
daño a través de una actualización del modelo de elementos finitos (FE) que usa los
momentos estadísticos totalmente o, muy probablemente, las respuestas estructurales
parcialmente medidas y entonces determina las localizaciones del daño y sus severidades
comparando los parámetros de rigidez estructurales identificados en las dos fases (Xu, et
al., 2011).
 SMBDD en el dominio del tiempo: en términos teóricos, el método de SMBDD puede
aplicarse a las estructuras en el dominio de frecuencia solo cuando las excitaciones externas
obedecen las distribuciones Gaussianas. Este requisito limita la aplicación del método de
SMBDD a las excitaciones externas no-Gaussianas. En esto aspecto, el método de SMBDD
ha sido extendido y se ha llevado a cabo en el dominio del tiempo para las excitaciones
externas no-Gaussianas y no-estacionarias con la consideración de medidas incompletas
(Xu, et al., 2011). Estos métodos no necesitan disponer de un modelo matemático detallado
de la estructura para detectar el daño o conocer el estado de la estructura previo al daño
(Lazcano, et al., 2011).

79
6.9 Definición de alarmas

Se pueden establecer diferentes categorías para la definición de alarmas o límites que permitan
informar situaciones anormales, los cuales se presentan a continuación:

 Límites normales de operación: En esta categoría se obtienen límites considerando valores

estadísticos de parámetros estructurales a partir de los datos registrados por el monitoreo
continuo bajo condiciones de operación normal. Como ejemplo se describe una
metodología correspondiente:
1. Extraer valores crudos registrados por sensores.
2. Calcular el valor de la media representante de n minutos de adquisición.
3. Unir los valores de las medias obtenidas en un vector que constituya m días de
adquisición.
4. Ajustar distribución estadística de las medias obtenidas.
5. Obtener distribución estadística que represente el comportamiento de cada sensor.
6. Definir cantidad y rangos de los límites.
 Límite de diseño: Los cuales se basan en los valores máximos de los parámetros
estructurales proyectados por el diseñador, obtenidos mediante códigos y normas.
 Límite de resistencia de materiales: Representando el mayor grado de daño que puede sufrir
los elementos estructurales críticos, aquellos más susceptibles a la falla. Se basa en las
capacidades físicas de los materiales empleados en la estructura, usualmente expresado
como porcentaje de fluencia o resistencia última de los elementos estructurales críticos.
 Límites basados en Simulación Montecarlo: Cuando no se tiene información dada por
alguna instrumentación de la estructura, esta aproximación se basa en datos estadísticos de
cargas dinámicas a la que estructura está expuesta, mediante un modelo de elementos
finitos.

80
 7. Análisis de Resultados y Conclusiones

7.1 Análisis de Resultados

La presente memoria realizó una primera aproximación de una guía de recomendaciones para la
aplicación de sistemas de monitoreo de la salud estructural en puentes viales chilenos. Para llevarla
a cabo, se indagó mediante una investigación bibliográfica de normas, documentos técnicos, tesis
e informes que mencionan procedimientos, aplicaciones y limitaciones de sistemas de monitoreo
estructural, considerando situaciones prácticas y teóricas.

Como base de investigación, se consideró un diseño genérico mencionado por los documentos
bibliográficos estudiados, los cuales dividen los sistemas de monitoreo de forma similar, en función
de los principales desafíos y etapas que se enfrentan al momento de implementar un SHM en
puentes. Todos los documentos, consideran como primera etapa la caracterización de la estructura,
seguida por un estudio de los sensores, el sistema de adquisición de datos y el post-procesamiento
de los datos necesario para obtener la salud actual de la estructura. Junto con esto, se observa un
consenso en la definición de dos aproximaciones de monitoreo, correspondientes al monitoreo local
y global, los cuales se pueden implementar en conjunto, pero de acuerdo con lo observado en el
estudio bibliográfico, en la mayoría de los casos el monitoreo global es predominante para conocer
el estado efectivo del puente y el monitoreo local cumple un rol secundario, debido a que el
monitoreo local solo permite el conocimiento del desarrollo de daños o comportamientos locales
de algunos componentes, en donde se debe conocer su ubicación y no permiten conocer el estado
global de la estructura.

El uso de sensores a lo largo de los diferentes métodos de monitoreo se basa principalmente en

acelerómetros, los cuales permiten conocer el comportamiento vibratorio de la estructura. Junto
con estos, se destacan la fibra óptica, que es capaz de medir diferentes fenómenos de manera
distribuida, las galgas extensiométricas para determinar los esfuerzos, los sistemas GPS para
detectar el movimiento de la estructura y los inclinómetros.

El estudio estadístico de la tipología de puentes del país permite definir una estructura tipo que
representa sobre el 60% de las estructuras pertenecientes a la red vial crítica del país, la ruta 5. Esta
tipología se define como un puente de hormigón armado pretensado de 76 m con dos vanos. Junto
con esto, se presentan tablas que mencionan los principales tipos de daños y parámetros que
caracterizan daños considerados por el MOP, lo que permite estimar cuales deben ser los
parámetros por considerar en la instrumentación de la estructura.

Los desafíos que se destacan en los sistemas de monitoreo corresponden a la alimentación de poder,
tanto para los sistemas conectados que requieren de una fuente de energía en la estructura y un
sistema de conexión más complejo o para los sistemas inalámbricos que son dependientes de su
batería, pero se ha demostrado que los sensores con tecnología MEMS son capaces de durar más
de un año sin la necesidad de cambiar las baterías, lo cual se puede considerar un período razonable
para la mantención correspondiente.

81
Otro desafío corresponde a la transferencia de información desde el sistema de adquisición de datos
hasta la estación base, debido a la gran cantidad de datos que puede generar el sistema de
monitoreo. Para esto, se presentan dos tecnologías complementarias, Wi-Fi y redes de celulares,
las cuales permiten una transferencia de datos local y extensa.

Cabe mencionar que la bibliografía en general considera que la funcionalidad de un sistema de

monitoreo estructural está más relacionada con la aplicación de un análisis de datos que con la
cantidad de datos obtenidos de la estructura. Es decir, se recomienda enfocar el esfuerzo del
monitoreo en un análisis más profundo de los datos obtenidos por los sensores que en la
instrumentación mediante una mayor cantidad de sensores. Sin embargo, sin sensores no se puede
obtener información cuantificable de la estructura y sin análisis de la información no se puede
conocer el estado real de la estructura, por lo cual es necesario alcanzar un equilibrio de cantidad
de sensores y profundidad del análisis.

Diferentes aplicaciones de sistemas de monitoreo estructural han sido capaces de determinar el

estado de una estructura sin la necesidad de un monitoreo continuo en tiempo real, lo que lleva al
análisis de la necesidad de un monitoreo continuo en tiempo real, considerando que se pueden
implementar monitoreos continuos que determinen el estado de una estructura en intervalos de
tiempo definidos, evitando una sobre acumulación de datos y disminuyendo la demanda de energía
de estos.

Uno de los puntos a considerar es la dependencia de un modelo computacional que requieren

algunos de los métodos de análisis de datos. El desarrollo de estos modelos implica un esfuerzo de
parte de un equipo de ingenieros, lo cual dificulta la implementación de un monitoreo para un
proyecto para monitorear varios puentes a la vez o con menor presupuesto.

Al analizar el documento de inspección de puentes del MOP se observa que, debido a la variedad
de estados, situaciones y acciones sobre un puente, el método de inspección actual es capaz de
detectar situaciones de daño mediante inspección visual, por lo que un sistema de monitoreo es
capaz de complementar este método e incluso detectar daños que no se pueden observar en una
inspección visual.

Debido a la extensa variedad de sensores, métodos, técnicas y desafíos que existen en las
aplicaciones de monitoreo estructural, resulta complejo definir un solo método de monitoreo para
todas las estructuras del país, por lo cual el estudio realizado se centró en un estado del arte del
monitoreo estructural.

El estudio realizado, se ha centrado en la búsqueda exploratoria de información para generar un

documento técnico que permita simplificar el diseño de un sistema de monitoreo para puentes,
presentando información y recomendaciones para implementar un monitoreo estructural,
considerando desde el conocimiento previo necesario para definir daños probables, puntos de
interés y medidas para determinar los efectos de las cargas aplicadas al puente, hasta que tipos de
sensores, como posicionarlos, y un detalle de los métodos utilizados en la actualidad para los
sistemas de adquisición de datos y análisis de estos. Este documento final permite comprender los
desafíos y diferentes alcances de un monitoreo, entregando técnicas, métodos y procedimientos
para la implementación de un SHM en puentes.

82
7.2 Conclusiones

Los puentes son elementos fundamentales en la infraestructura de transporte de la cual la sociedad

depende hoy en día, donde la operación y el mantenimiento se han vuelto más complejo con el
tiempo. Un sistema de monitoreo estructural permitiría conocer el estado actual de un puente,
facilitando el trabajo de mantenimiento y aumentar la eficiencia económica al ser capaz de prevenir
la propagación de daños para actuar oportunamente.

En el estudio bibliográfico llevado a cabo se ha buscado la estandarización de un sistema de

monitoreo aplicable a los puentes chilenos, que permita conocer el comportamiento de las
estructuras a lo largo de su vida útil. Esta información permite determinar la necesidad de actuar
en el caso de comportamientos anormales o fallas en la estructura, para prevenir el crecimiento de
las fallas o en casos extremos el colapso del puente. A continuación, se mencionan las conclusiones
obtenidas tras el desarrollo de esta memoria:

1. Las recomendaciones para desarrollar un sistema de SHM ha sido desarrollada en un

documento técnico simple que describe someramente algunas etapas, métodos, protocolos
e instrumentos utilizados. En este contexto el documento presentado se presenta como una
versión muy simplificada y como una primera aproximación de generar un documento que
facilite la implementación de SHM en puentes.
2. El monitoreo considera etapas como caracterización de la estructura a monitorear, la
identificación del fenómeno a medir, la selección de sensores, el sistema de adquisición de
datos, el manejo de los datos y el análisis de la salud estructural mediante métodos
dinámicos.
3. El estudio de los sensores define los principales instrumentos que permiten conocer el
comportamiento de los puentes mediante los parámetros de aceleración, esfuerzos,
inclinación y desplazamientos. Estos sensores son los acelerómetros, las fibras ópticas, los
sistemas GPS, los sensores de emisiones acústicas, las galgas extensiométricas y los
inclinómetros.
4. La definición de límites en las mediciones de los sensores se presenta como un indicador
de situaciones anormales en la estructura que requieren atención. Estos límites se deben
basar en valores estadísticos, valores basados en la modelación numérica de la estructura,
por la resistencia de los materiales o la simulación de Montecarlo.
5. Como desafíos para la implementación de un sistema de monitoreo se presenta la
alimentación de poder de la estructura, ya sea tanto para sistemas conectados o
inalámbricos, el posicionamiento óptimo de los sensores, la transferencia de datos desde la
estructura a una estación base y la dependencia de un modelo computacional de algunos
métodos de análisis.
6. La selección de un sistema conectado o inalámbrico va a depender de la situación a la que
se presentará el sistema de monitoreo, en donde se considera un sistema conectado para
proyectos de monitoreo a largo plazo, donde la instalación del sistema represente un período
de tiempo marginal, y donde se pueda implementar un sistema de energía capaz de
alimentar a los instrumentos en la estructura, mientras que un sistema inalámbrico tendrá
preferencia cuando no se pueda obtener energía para alimentar el sistema de monitoreo,
para monitoreos de períodos más cortos o por facilidad de instalación.

83
 7. La calidad de un sistema de monitoreo se basa tanto en la cantidad de información que se
puede obtener de la estructura como del análisis de los datos, donde ambas acciones son
complementarias.
8. El sistema de monitoreo estructural se presenta como una herramienta complementaria a
las inspecciones periódicas estipuladas por el MOP para verificar el estado de un puente.
9. Debido a la diversidad de métodos, sensores y estructuras es inviable el desarrollo de un
solo método de monitoreo para todas las estructuras, por lo cual la estandarización del
documento técnico se centra en la recomendación de técnicas e instrumentos para
implementar un SHM.
10. La implementación de sistemas de monitoreo en tiempo real presenta una gran variedad de
dificultades y es demandante de tiempo, por lo cual puede resultar económicamente
inviable para proyectos con menor presupuesto. Para estos casos, se pueden implementar
sistemas de monitoreo periódicos que implican menores gastos y tiempo.
11. Los sistemas de monitoreo de la salud estructural de puentes siguen siendo un campo en
desarrollo que presenta una gran cantidad de áreas de investigación, por lo cual no se pudo
abarcar por completo todo el espectro de métodos, técnicas, sensores y protocolos existentes
en esta memoria.

7.3 Recomendaciones a trabajo futuro

Existen diversos métodos y sensores que no se mencionaron en el desarrollo de esta memoria, los
cuales quedan propuestos a investigación, como la aplicación de programas de inteligencia
artificial y redes neuronales para el análisis de los datos obtenidos de la estructura, las cuales
facilitan la detección y estimación de daño y propagación. Otro método computacional que se
puede implementar en el monitoreo estructural corresponde al BigData, que permite un mejor
manejo y análisis de la basta cantidad de data que se puede obtener de un SHM. La implementación
de redes colaborativas en una red inalámbrica de sensores permite que los módulos de sensores se
comuniquen y cooperen entre sí, pudiendo disminuir la demanda de energía y aumentar la
capacidad de computo.

84
 8. Bibliografía
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90
 Anexos

Anexo A

A continuación, se detallan dos métodos dinámicos para la detección y localización de daño en una
estructura.

A.1 Análisis Modal

Metodología para la examinación del comportamiento dinámico de estructuras, donde se describen

las características mecánicas por parámetros de frecuencia, modos de vibrar y valores de tasa de
amortiguamiento. Esta información permite:

● Verificar, modificar y optimizar el diseño.

● Mejorar los modelos dinámicos.
● Efectuar monitoreo global e identificar daños.
Excitación de estructuras y sistemas para análisis modal.

El primer paso para diseñar el sistema de análisis modal es definir la frecuencia y el rango de interés
de la forma modal, lo cual se puede lograr con modelos analíticos simples o medidas previas a la
instalación del sistema. También se deben considerar los grados de libertad de interés. Para el
análisis dinámico, se puede utilizar excitaciones ambientales , de impacto o forzadas, en general, se
suele utilizar fuentes de excitación ambiental, ya que presentan menores costos al no requerir un
sistema de excitación externa. No obstante, las frecuencias de excitación naturales pueden no están
distribuidas uniformemente en el rango de frecuencia de interés. Junto con esto, las frecuencias de
excitación natural pueden estar acompañadas de señales ambientales u otros parámetros no
deseables. Como se muestra en la imagen 2-6, la señal de excitaciones ambientales presenta una
distribución no uniforme del rango de frecuencia, lo cual se puede considerar como una desventaja
en el análisis de datos (Czichos, 2013).

91
 Ilustración A.1 Comparación de resultado de análisis dinámico de una pasarela peatonal de
acero con excitación ambiental y excitación por impacto

Para la aplicación de sistemas de excitación forzada, es necesario conocer el posible rango de

frecuencia de la estructura. Estos sistemas se pueden realizar con excitaciones mediante cargas
aplicadas, constantes o puntuales, vibraciones forzadas y otros. Es necesario considerar que la masa
aplicada o interconectada a la estructura, no debe afectar sus propiedades dinámicas.

A.1.2 Aplicaciones

Análisis modal en puentes

En un puente de concreto en Berlín (Czichos, 2013), se implementaron procedimientos específicos

de monitoreo automatizado y detección de daños. Como primera instancia, se desarrolló un análisis
modal extensivo, para validar y corregir el modelo numérico de elementos finitos, para que el
comportamiento del modelo estructural fuera idéntico al del puente. Producto de estos modelos
perfeccionados, se puede estudiar la información medida de la estructura para determinar la posible
detección de daños, junto con su ubicación, tipo y cantidad.

Para el análisis modal se utilizó una red de medición con más de 245 puntos en el tablero del puente.
Otros 32 puntos se instalaron en las columnas del mismo. Los sensores utilizados fueron
transductores de velocidad y acelerómetros del tipo Bruel y Kjaer. Junto con esto se realizó un
ensayo de excitación con un vibrador dinámico de EMPA, y su ubicación correspondió al punto
que permitiera excitar la mayor cantidad de modos de vibrar dentro del rango de frecuencia de
hasta 20 Hz.

Para la determinación de las frecuencias de la estructura y sus correspondientes formas modales,

se consideraron mediciones de excitación y las respuestas de vibración del puente para identificar
92
las funciones de transferencia. De esta manera se derivaron las frecuencias y formas modales,
utilizando el procedimiento de separación de fase (Czichos, 2013).

Para la determinación del comportamiento de vibración del puente, se utilizaron transductores de

velocidad del tipo HS1. La finalidad de esta investigación era utilizar la mayor cantidad de
información modal sobre la estructura, para validar el modelo numérico.

En la Ilustración A-2 se muestran dos formas modales con frecuencias 8.42 y 10.31 Hz. El modelo
superior es una superposición de torsión y flexión, donde los apoyos también se ven afectados,
mientras que la inferior corresponde a una superposición de modos longitudinales y transversales
de flexión, que inducen vibraciones de la losa del puente.

Ilustración A-2: Formas modales experimentales con frecuencias naturales 10.31 y 8.42 Hz

A.2 Emisiones Acústicas

El análisis de emisiones acústicas (AE) está basado en la detección de movimiento dinámico en la

superficie, provocado por ondas elásticas de tensiones, las cuales son generadas por la liberación
espontánea de energía elástica acumulada de micro o macro fallas durante la aplicación de
esfuerzos estáticos o dinámicos.

Al contrario de las vibraciones, que son oscilaciones mecánicas mediante un punto de equilibrio,
AE son ondas elásticas transitorias o continúas excitadas por micro eventos dentro de un material
en diferentes estados (como fatiga o agrietamiento), por la interacción sólido-sólido (impacto o
fricción) o sólido-fluido (filtración). El rango de frecuencia típica para la detección de grietas es de
100 Hz.

Sus características principales son:

● Método pasivo que monitorea la respuesta dinámica del material frente a cargas aplicadas
o ambientales.
● Permite la detección de fuentes activas y procesos de degradación que evolucionan con el
tiempo, dependiendo de las propiedades y geometría del material.
93
 ● Permite un monitoreo global de toda la estructura, siendo capaz de detectar defectos
crecientes en la estructura medida. Ofrece un monitoreo dinámico en tiempo real de
cualquier discontinuidad.
Medición de emisiones acústicas

Las emisiones acústicas (AE) son generadas por procesos como deformación plástica, fricción y
filtración (líquidos). El mecanismo de origen de emisiones acústicas microscópicas puede generar
AE con un amplio rango de frecuencias cercano a la ubicación de origen, luego las ondas se
propagan a lo largo del material, las cuales golpean al sensor, y este obtiene información sobre el
comportamiento interno y efectos geométricos.

Las emisiones se ven afectadas por la atenuación de las ondas provocada por la geometría y por la
absorción de energía del material, o por reflexión en límites geométricos. Cuando una onda acústica
choca con un sensor piezométrico AE, éste transforma la señal en una señal eléctrica, las cuales
son procesadas para detectar, caracterizar y localizar la fuente de origen. La sensibilidad del sensor
AE, que depende del modo y frecuencia de la onda analizada, es clave para la detección de señales
AE y localización del origen de esta.

El procesamiento y acondicionamiento de las señales medidas incluye amplificación, filtración y

extracción de las propiedades de la señal. El procesamiento de señal aplica un filtro de banda para
eliminar el ruido, realiza la conversión análogo-digital de la señal y una extracción de
características límites con sus mediciones en tiempo real.

Ilustración A-2: Principio de medición de AE: 1. Falla en crecimiento, 2 ondas

superficiales, 3 preamplificación, 4 sensor AE, 5 señal de salida, 6 sección del componente, 7
ondas, 8 carga aplicada

La señal AE es analizada y reducida a características de la señal como tiempo de llegada, valor

máximo, duración de señal y energía.

La localización de fuentes de AE esporádicos, se puede realizar con un sensor, entregando una

zona de ubicación; dos sensores, entregando una ubicación linear; o con 3 o más sensores

94
distribuidos en un plano. La precisión de la ubicación se ve afectada por el modo de onda, el
comportamiento del material y por la posibilidad que la onda se propague por diferentes materiales.

Estrategias para un monitoreo de salud estructural

El monitoreo mediante emisiones acústicas se puede realizar temporal o permanentemente, por lo

cual se define una estrategia para cada caso.

1. Detección de ondas transitorias elásticas AE, que comienzan el monitoreo cuando las
señales sobrepasan un límite definido sobre el máximo del ruido ambiental.
a. Señal transitoria.
b. Determinación de ubicación por tiempo de llegada de la señal.
c. Determinación de características de fuente de AE.
2. Grabación de la onda AE completa, independiente de los límites.
a. Señal continua.
b. Aplicación de filtros para separar ruido de mecanismos de degradación.
c. Localización de fuentes de AE basado en discriminación del modo de onda,
atenuación y técnicas de correlación.
d. Determinación de características de la fuente de AE.
Evaluación y Grados de severidad de fuentes de AE.

La metodología aplicada al monitoreo integral estructural considera los siguientes pasos:

1. Comprender la naturaleza de las fuentes de AE para distinguir entre fuentes primarias de

fractura, micro o macro agrietamiento, en contraste con fuentes secundarias de fricción o
corrosión (Czichos, 2013).
2. Herramientas de evaluación como el efecto Felicity o efecto Kaiser (Tensi, 2007).
3. Localización y agrupación de fuentes para determinar potenciales áreas de pérdida de
integridad.
4. Caracterización de la fuente mediante peak de amplitud, duración, crecimiento y otros
parámetros, que incluyen diferentes tipos de fallas.
Sin embargo, para evaluar la integridad estructural, se necesitan otros métodos no destructivos
(NDT). Períodos de espera durante la carga de las estructuras son un aspecto clave para la
evaluación de AE, por ejemplo, una actividad no decreciente de AE, o una señal AR de grandes
amplitudes durante períodos de espera infieren situaciones de daños inestables, como
agrietamiento. Una concentración de fuentes AE dentro de una ubicación, entrega información para
la evaluación de daños, pero se requieren procedimientos para la corrección de la amplitud de la
señal AE.

Análisis de las características y mecanismos de emisiones acústicas

● Medición de eventos, medición periódica de valores máximos (número de defectos).

● Análisis espectral (FFT (Fast Fourier Transform), WT (Wavelet T)).
● Amplitud de la señal mayor a RMS (Raíz de la media cuadrática) (Crecimiento de
grietas).

95
 ● Valores de RMS (severidad de defectos).
● Espectro de señal: AE de alta frecuencia (formación de grietas) o AE de Baja frecuencia
(pulso de impacto).
Para la detección de mecanismos que generan ondas acústicas, existen:

1. Métodos de clasificación e identificación de Fuentes de AE:

a. Amplitud de peak
b. Energía
c. Tiempo de aumento
d. Duración
2. Métodos avanzados de clasificación e identificación
a. Análisis de señales de espectro de frecuencia (FFT): por promedio de la
frecuencia, centroide de la frecuencia, peak de amplitud
b. Correlación de la energía de señal vs la frecuencia característica
c. Análisis de onda modal (Ono, 2007)
d. Reconocimiento estadístico de patrones (Miller & Hill, 2005)
Diagnóstico técnico usando métodos AE: Ejemplos

El principal inconveniente de la aplicación de técnicas AE en construcciones complejas y de gran

magnitud, es la atenuación de la onda y la reflexión de esta antes de llegar al sensor, haciendo la
detección y localización de daños compleja. Es por esto que los sistemas de monitoreo deben estar
lo más cerca posible de áreas críticas con un alto riesgo de falla por propagación de grietas.

Estructuras de Concreto: Generalmente se utilizan dos índices para calificar daños en estructuras
de concreto, según la práctica recomendada (ISO, 2019)

Razón de carga: carga al comienzo de la actividad AE, por la carga previa.

1. Razón de quietud: Número de actividad de AE acumulada durante la descarga, por actividad

total de AE.
2. Razón de carga: Razón entre la carga al comienzo de la actividad AE, por la carga previa.
La razón de carga puede ser mayor a 1 en una estructura saludable, debido a la acumulación de
daño, la razón baja de 1.0, generando AE a menor nivel que antes. Para estructuras severamente
dañadas, la razón de carga es menor a 1.0 y la razón de quietud es mayor a 1. Los Índices de AE
no pueden ser relacionados cuantitativamente con el grado de daño, pero si pueden indicar partes
de la estructura que necesitan una investigación más profunda.

96
Ilustración A.0-1: Calificación de daño en concreto en función de la razón de carga y la razón de
quietud.

97
Anexo B

B.1 Bridge Weight in Motion

El sistema B-WIM (por sus siglas en inglés, Bridge Weight in Motion) se basa en un sistema de
sensores que permiten utilizar un puente como un mecanismo de peso para determinar la carga
actual de tráfico sobre este. Esto se realiza monitoreando los esfuerzos inducidos por los vehículos
en el tablero de la estructura. Los instrumentos más utilizados corresponden a las galgas
extensiométricas, y este método corresponde a un método simple y menos intrusivo a la estructura.

Esta información puede utilizarse para un manejo económico de las redes de transporte y se
presenta como una herramienta para la evaluación de la seguridad del puente. Una evaluación que
considera las cargas aplicadas a cada punto de la estructura basado en el tráfico actual sobre esta.

El sistema de B-WIM utiliza la medida de deformación de un puente, bajo la carga viva del tráfico,
para estimar las características de los vehículos que transitan sobre él, entregando información
imparcial del tráfico. Se ha demostrado que estos sistemas pueden entregar resultados con una
precisión de ±5% en el 95% de los resultados, lo cual resulta suficiente para medir el peso de los
vehículos (Lydon, et al., 2016).

Como ventajas del sistema se puede mencionar que solo se requiere de un par de semanas para
obtener información viable de cada lugar a monitorear y que el sistema es capaz de entregar
información realística sobre las cargas de tránsito y el comportamiento actual de la estructura bajo
esta influencia.

Existen diferentes tipos de B-WIM dependiendo de la localización y velocidad como por ejemplo
el sistema “WIM de baja velocidad” que realiza las mediciones en un área dedicada fuera de las
líneas de tráfico, donde los vehículos deben andar a una velocidad entre 5 a 10 km/h para poder
eliminar los efectos dinámicos. Este tipo de WIM se puede observar en diferentes puntos a lo largo
de la carretera 5 del país. Otro método corresponde al “WIM de alta velocidad” donde las
mediciones se realizan en las pistas de tránsito sin desacelerar o parar a los vehículos. Las medidas
son afectadas por la dinámica de los vehículos por lo cual se presentan mediciones con menor
precisión.

98
Ilustración B-1: Concepto de B-WIM.

99