Desarrollo de herramientas
computacionales para la medición y
cálculo en pruebas de carga estáticas y
dinámicas en puentes isostáticos.
Trabajo realizado por:
Jose Rafael Rivas Roa
Dirigido por:
ROLANDO CHACON
Máster en:
Ingeniería Estructural y de la Construcción
Barcelona, 3 de Mayo de 2021
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
TRABAJO FINAL DE
Agradecimientos
Agradecido con Dios, quien ha guiado e iluminado cada paso de este gran camino, llenándome de fuerzas para afrontar cada reto que significo este gran paso académico.
A mis padres, que son los que han forjado quien soy hoy como persona y los que han sido apoyo incondicional en todo momento, por dar siempre el ejemplo, y sembrar ese ímpetu de positivismo que nos hace luchar a cada uno de sus hijos.
A mis hermanos, que, aunque algunas veces silentes, siempre estuvieron allí para escuchar y preguntar, y dar animo en los momentos que mas necesite. Siendo pilares fundamentales y a quienes dedico este logro.
Y a cada persona que de una manera u otra colabora o ayudo de alguna forma. A todos ustedes gracias.
Resumen
Las pruebas de carga en puentes, son primordiales para determinar si dichas estructuras son aptas para su puesta en servicio. Siendo estas fundamentales para conocer si los puentes tienen un comportamiento que corresponda al estipulado en la fase de diseño, respetando todos los estándares estipulados en la norma correspondiente para la pruebas y aprobación del mismo.
Por lo que es importante añadir avances tecnológicos en las pruebas para determinar de manera más rápida y eficaz si el mismo cuenta con las características necesarias, dando así a los especialistas encargados de las pruebas una visión a corto tiempo de cómo se comporta dicha estructura cuando se lleva a cabo la prueba.
En la actualidad existen muchos métodos de medición y análisis para dichas pruebas, pero esta investigación pretende unificar la parte teórica con la parte experimental en una misma interfase, siendo esto de suma utilidad para los especialistas ya que podrán tener un mejor manejo y visualización de la información antes, durante y después de las pruebas que se le realicen a la estructura.
El presente proyecto se realizará utilizando el software Rhinoceros7 y haciendo uso de la aplicación Grasshopper, que permitirá enlazar las antes mencionadas, utilizando diferentes plugin que permitirán tener la recepción de datos del usuario y de los instrumentos de medición utilizados.
Este sistema permitirá conocer utilizando un análisis de elementos finitos, las variables teóricas de interés para la prueba de carga, y además recibirá de manera automática los datos generados por los equipos de medición. Pudiendo así realizar una comparación de manera rápida de lo que está sucediendo durante la prueba.
Permitiendo además tener el sistema parametrizado, para poder tener una manera sencilla de realizar cambios sobre el modelo y cálculos según lo necesiten los especialistas.
Palabras clave: Prueba de carga, Prueba de carga teórica, Prueba de carga experimental,
Abstract
Load tests in bridges are essential to determine if these structures are suitable for the service state. Being fundamental to know if the bidges have a behavior as the one stipulated in the desing phase, following all of the requirements stipulated in the standars for the testing and approval of the structure.
Therefore, it is important to add technological advances in the tests to determine in a faster and efficiently way if it has the necessary characteristics, thus giving the specialists in charge of the tests a short-term visión of how is the structure behaves when a load its applied oni t during the load test.
Now a days there are many measurement and análisis methods for this kind of test, for this research aims to unify the theoretical part with the experimental part in the same interface, being this extremely useful for specialists since they Will be able to have a better management and visualization of the information in diferents phases (before,during,after), the load tests carried out on the structure.
This proyect Will be carried out using the software Rhinoceros7 and the Grasshopper application that the software has. Which Will link the aforementioned, using different plugins that Will allow the reception of user data and and the measurement instruments used.
This sustem Will allow to know, using a finite element análisis, the theoretical variables of interest for the load test, and Will also automatically receive the data generated by the measurement equipment. Thus being able to quickly make comparison of what is happening during the test.
Also allowing to have a parameterized system, in order to have a simple way to make changes to the model and calculations as needed by specialists.
Keywords: Load test, Theoretical load test, Experimental load test, Sensors, Finite element
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Índice General
Capítulo I: Introducción ... 1
1.1. Motivación ... 1
1.2. Planteamiento del problema ... 2
1.3. Objetivos ... 2
1.3.1. Objetivo General ... 2
1.3.2. Objetivo Específicos: ... 2
1.4. Metodología ... 3
1.5. Alcance y límites del proyecto. ... 3
Capítulo II: Estado del Conocimiento ... 5
2.1. Introducción ... 5
2.2. Prueba de carga en puentes ... 6
2.2.1. Metodología de la prueba de carga ... 6
2.3. Tecnologías Utilizadas para pruebas de carga en puentes ... 17
2.3.1. Transformador diferencial de variación lineal ... 17
2.3.2. Transductor de deformación típico. ... 18
2.3.3. Microcontroladores. ... 18 2.3.4. laser. ... 19 2.3.5. Fibra óptica ... 19 2.4. Modelos BIM ... 20 2.5. Medición ... 21 2.6. Estructuras beneficiadas ... 23
Capítulo III: Herramientas ... 24
3.1. Sensores ... 24 3.1.1 Arduino UNO ... 24 3.1.2 Arduino DUE ... 25 3.1.3 Acelerómetro ADXL335 ... 25 3.1.4 Acelerómetro MPU9250 ... 26 3.1.5 Sensor Laser VL53L1X... 27
3.1.6 Servos paso a paso ... 27
3.2 Equipos ... 28 3.2.1 Laser ... 28 3.3 Softwares ... 29 4.1.1 Arduino: ... 29 4.1.2 Rhinoceros 7... 30 4.1.3 SAP2000 ... 34
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4.1 Prueba de carga estática ... 35
4.1.1 Análisis Teórico ... 35
4.1.2 Análisis Experimental. ... 47
4.2 Prueba de carga Dinámica ... 51
4.2.1 Análisis Teórico ... 51
4.2.2 Análisis Experimental ... 56
Capítulo V: Resultados ... 63
5.1. Análisis teórico estático ... 65
5.2. Análisis experimental estático ... 68
5.3. Análisis teórico dinámico ... 72
5.4. Análisis experimental dinámico ... 75
5.5. Análisis de resultados de la prueba estática ... 79
5.6. Análisis de resultados de la prueba dinámica ... 79
Capítulo VI: Caso de estudio ... 81
Capitulo VII: Conclusiones y Recomendaciones ... 89
6.1. Conclusiones ... 89
6.2. Recomendaciones ... 90
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Índice Figuras
Figura 1. Tablas resumen prueba estática ... 11
Figura 2. Transformador diferencial de variación lineal. ... 17
Figura 3. Transductor de deformación típico. ... 18
Figura 4. Acelerómetro de tres ejes. ... 18
Figura 5. Laser de alta precisión. ... 19
Figura 6. Fibra óptica en sección de acero. ... 20
Figura 7. Arduino UNO ... 24
Figura 8. Arduino DUE ... 25
Figura 9. Acelerómetro ADXL335 ... 26
Figura 10. Acelerómetro MPU9250 ... 26
Figura 11. Sensor laser VL53L1X. ... 27
Figura 12. Servo paso a paso. ... 28
Figura 13. Interfase ARDUINO. ... 30
Figura 14. Interfase Rhinoceros7. ... 31
Figura 15. Interfase Grasshopper. ... 31
Figura 16. Plugins más usados ... 32
Figura 17. Plugin GhPythonScript ... 32
Figura 18. Plugin GhPythonRemote. ... 33
Figura 19. Grasshopper “Firefly”. ... 34
Figura 20. Interfase SAP2000. ... 34
Figura 21. Desplazamientos y fuerzas externas de un elemento. ... 36
Figura 22. Matriz de rigidez local para un elemento. ... 37
Figura 23. Matriz de rigidez Global. ... 37
Figura 24. Matriz de rigidez Global de sistema de dos barras. ... 38
Figura 25. Matriz de rigidez Global, ensamblaje con Python. ... 38
Figura 26. Condición de contorno extremo izquierdo... 39
Figura 27. Condición de contorno extremo derecho. ... 39
Figura 28. Barra Biarticulada. ... 39
Figura 29. Vector desplazamiento. ... 40
Figura 30. Vector desplazamiento, creado con Python... 40
Figura 31. Vector fuerza. ... 41
Figura 32. Sistema de ecuaciones. ... 42
Figura 33. Eliminación de posiciones vector desplazamiento. ... 42
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Figura 35. Sistema de ecuaciones simplificado para el cálculo de deformaciones. ... 43
Figura 36. Vector desplazamiento usando comando “PANEL”. ... 44
Figura 37. Vector fuerza, creado con Python. ... 44
Figura 38. Sistema de ecuaciones. ... 45
Figura 39. Vector fuerza usando comando “PANEL”. ... 45
Figura 41. Creación de la curva deflexión a partir de las deflexiones en cada nodo. ... 46
Figura 42. Creación del plano normal de cada nodo. ... 46
Figura 43. Creación de la sección. ... 47
Figura 44. Sección teórica sometida a una fuerza. ... 47
Figura 45. Formato JSON. ... 48
Figura 46. Lectura del puerto serial en Grasshopper. ... 49
Figura 47. Deserialización del formato “JSON”. ... 50
Figura 48. Nube de puntos leídos por el láser. ... 50
Figura 49. Creación de superficie a partir de nube de puntos. ... 51
Figura 50. Matriz de masa concentrada. ... 52
Figura 51. Matriz de masa coherente. ... 53
Figura 52. Plugin de generación de matriz de masa. ... 53
Figura 53. Plugin de generación de matriz de “U”. ... 54
Figura 54. Comunicación GhPythonRemote con entorno Python. ... 55
Figura 55. Frecuencias y modos de vibración GhPythonRemote. ... 55
Figura 56. Lectura de Acelerómetro y creación de formato tipo JSON. ... 57
Figura 57. Comunicación serial para análisis experimental dinámico. ... 57
Figura 58. Deserializacion del formato “JSON”. ... 58
Figura 59. Calibración y observación de los datos del acelerómetro. ... 58
Figura 60. Creación de array con las aceleraciones. ... 59
Figura 61. “Data Recorder”. ... 59
Figura 62. Extracción de los datos grabados. ... 60
Figura 63. Aceleración en el tiempo. ... 60
Figura 64. Grafica de aceleración en el tiempo. ... 61
Figura 65. Datos iniciales. ... 63
Figura 66. Sistema estructural con el equipo láser. ... 64
Figura 67. Esquema estructural. ... 64
Figura 68. Fuerzas y momentos. ... 65
Figura 69. Fuerzas y momentos. ... 66
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Figura 71. Desplazamientos. ... 67
Figura 72. Modelo del elemento sometido a carga. ... 68
Figura 73. Posicionamiento del equipo láser. ... 68
Figura 74. Medición con el elemento descargado. ... 69
Figura 75. Aplicación de carga en el elemento ... 69
Figura 76. Superficie con el elemento en vacío y con el elemento cargado. ... 70
Figura 77. Plugins utilizados para la proyección de la superficie. ... 70
Figura 78. Proyección de las superficies ... 71
Figura 79. Deformaciones máximas de cada proyección. ... 71
Figura 80. Obtención de frecuencias angulares y modos de vibración. ... 72
Figura 81. Frecuencias y periodos del elemento. ... 73
Figura 82. Primer modo de vibración. ... 73
Figura 83. Segundo modo de vibración. ... 74
Figura 84. Tercer modo de vibración. ... 74
Figura 85. Periodos y Frecuencias en Grasshopper y SAP2000. ... 75
Figura 86. Fase experimental de la prueba. ... 75
Figura 87. Puesta en marcha de la prueba dinámica. ... 76
Figura 88. Aceleración en el tiempo. ... 77
Figura 89. Amortiguamiento. ... 77
Figura 90. Transformada de Fourier. ... 78
Figura 91. Deformadas obtenidas. ... 79
Figura 92. Deformadas obtenidas. ... 79
Figura 93. Deformadas obtenidas. ... 80
Figura 94. Viaducto de Valdelinares. ... 81
Figura 95. Sección Transversal. ... 82
Figura 96. Sección Transversal con variables a utilizar. ... 82
Figura 97. Inputs generales y de la sección. ... 83
Figura 98. Creación de sección y apoyos. ... 84
Figura 99. Generador de matrices de masa y rigidez. ... 84
Figura 100. Generador del modelo... 85
Figura 101. Elemento sin carga aplicada. ... 86
Figura 102. Elemento con carga aplicada. ... 86
Figura 103. Fuerzas y desplazamientos. ... 87
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Capítulo I: Introducción
1.1. Motivación
Las pruebas de carga por lo general, son experimentos en los cuales hay diferentes intereses de por medio, dependiendo esto de los stakeholder. Por lo que es de suma importancia en la actualidad no solo llevar esto a un plano tecnológico, sino que, además, buscar nuevas técnicas que permitan reducir las incertidumbres que se generan en estas pruebas, para así obtener los resultados que más se acerquen a la realidad.
Es por ello que se pretende plantear una prueba en la cual, respetando las normativas vigentes, se pueda optimizar y mejorar el proceso de medición, y a su vez, generar datos los cuales se puedan manipular en diferentes plataformas para tener una manera más rápida y eficaz de obtener y analizar resultados.
Enfocando este proyecto siempre en el uso de tecnologías que permitan no solo obtener mejores resultados, sino que además se pueda observar en un instante de tiempo determinado, utilizando equipos especializados, los fenómenos o acciones a la que está siendo expuesta la estructura que se estará analizando y poder ver cómo se comporta la misma ante estos.
Con lo que se tendría no solo una serie de resultados, sino que a su vez se podrá tener un mayor entendimiento de cómo se está comportando las misma. Ya que no solo se trabajaría o se obtendrían datos de forma numérica, sino que además se tendría el soporte de imágenes que estarán basadas en las señales recibidas por diferentes sensores.
Siempre teniendo en cuenta y siendo un factor fundamental, una toma bastante precisa de los datos ya que este es el factor que será esencial para que la cadena de estudios posteriores tenga la validez correspondiente. Por lo que se deberán ajustar los equipos que se usarán, para así minimizar los errores al máximo. Siempre por supuesto teniendo en cuenta, los errores que tienen cada uno de los componentes de medida.
Por lo que se espera, realizar un aporte que dé inicio al estudio de estas estructuras singulares de una manera diferente, la cual permitirá además contribuir a que la industria de la construcción siga evolucionando.
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1.2. Planteamiento del problema
Para poder realizar y generar una solución, es muy importante identificar cual es el problema que se pretende solventar. Por lo que se debe realizar un análisis de la situación actual del mismo, para que la propuesta tenga un objetivo claro y preciso.
En la actualidad existen diferentes métodos para realizar este tipo de pruebas, dependiendo estas principalmente en las normativas del país en el que se encuentre la estructura y además los equipos que se tengan a disposición para realizar la misma. Es por ello que este estudio se enfocara principalmente a estructuras que se encuentren en territorio español.
Algunas de las pruebas que se realizan, conllevan algunas incertidumbres que están ligadas al error humano, ya que este debe gestionar según sus conocimientos en este campo, cuáles son los puntos críticos que se deben estudiar. Analizando una pequeña porción de la estructura en la que por la experticia de la persona que analice la prueba identificara algunos de los puntos donde considera se encuentran los valores máximos o críticos.
Es por ello que se plantea un sistema basado en sensores, que pretende analizar toda la superficie que se encuentra soportando las cargas para así poder tener el punto y el valor exacto máximo o critico de la estructura. Suponiendo esto un análisis más amplio, preciso y detallado que en las pruebas de carga convencionales.
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo General
Desarrollar un sistema, que permita analizar pruebas de carga estáticas y dinámicas en puentes de trenes de alta velocidad, haciendo uso de la realidad virtual.
1.3.2. Objetivo Específicos:
Para lograr el objetivo general, se deberá cumplir con los siguientes objetivos específicos:
➢ Realizar un análisis estructural, que permita determinar las magnitudes teóricas para los casos de elementos sometidos a cargas estáticas y dinámicas.
➢ Desarrollar un sistema de medición que permita estimar las magnitudes producidas durante las pruebas de carga estática y dinámica.
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el resultado práctico obtenido con el sistema de medición propuesto.
➢ Analizar los resultados obtenidos en la prueba propuesta
1.4. Metodología
Para la realización de este proyecto se seguirá una metodología que tendrá dos vertientes principales dependiendo del tipo de prueba que se desee realizar, una para la prueba con la carga estática, y otra metodología diferente para la prueba con la carga dinámica. Con diferente procedimiento, pero expresando los resultados en ambos casos utilizando realidad virtual.
En el caso de la prueba con carga estática, se harán uso de los siguientes sensores para la toma de resultados: Acelerómetro, Giroscopio, Servos paso a paso, Arduino UNO y un láser. Creando con estos elementos, un sistema que permitirá mediante la programación desde Arduino (hardware libre), conseguir los datos necesarios para determinar los valores de cada coordenada de la zona de interés.
Para la prueba estática, el láser deberá realizar dos lecturas. La primera o inicial, cuando el elemento estructural se encuentre sin carga, esto con el fin de conocer sus coordenadas iniciales y poder crear una superficie a partir de la toma de estos puntos, con lo que se conseguirá la forma y coordenadas iniciales. Y la segunda lectura, con la carga ya aplicada, para observar el comportamiento de la estructura cuando se le aplica una carga estática, y poder proyectar si la misma soportara las cargas concebidas en el proyecto y que a su vez respete los rangos máximos que se estipulan en la norma.
En el caso de la prueba con carga dinámica, se hará uso de: Acelerómetros y Arduino DUE. Esto con el fin de calcular las diferentes variables que se presentan cuando la carga dinámica es aplicada en el elemento estructural. De igual manera estos rangos deberán respetar los que la norma indica para el caso que se esté estudiando.
Haciendo de igual manera énfasis que los datos serán procesados rápidamente de manera computacional, por lo que en un corto tiempo los usuarios podrán conocer los resultados de la prueba.
1.5. Alcance y límites del proyecto.
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modelo paramétrico BIM, el comportamiento de una estructura cuando la misma es sometida a diferentes tipos de carga. Logrando así saber si la estructura que se vaya a estudiar cumple los requisitos mínimos según la norma para entrar en servicio.
Teniendo una visión detallada de cada uno de los casos necesarios para realizar dicha prueba, y brindando un entorno que permita realizar todos estos análisis en un mismo entorno, para así poder tener una mejor percepción de los datos obtenidos, y poder efectuar un análisis que permita realizar una comparación eficaz de los mismos.
En cuanto al análisis estructural, se realizará utilizando el método de los elementos finitos, que permitirá poder determinar con la discretización de los elementos, cuando la misma converge, consiguiendo así un resultado preciso.
Es importante denotar que el software que se usara para realizar todos estos estudios (Rhinoceros 7), es un software que está pensado principalmente para el modelado, por lo que utilizar el mismo para realizar el análisis con el método de elementos finitos, limitara el número de elementos a discretizar, ya que sería un análisis matricial significativo, lo que ralentizará y complicara el análisis.
Algunos de los sensores también pueden llegar a generar algunas limitaciones, ya que estos tendrán algunas especificaciones técnicas que permitirán realizar mediciones hasta un rango limitado.
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Capítulo II: Estado del Conocimiento
2.1. Introducción
En la actualidad, es muy importante incorporar nuevas tecnologías que permitan realizar las mediciones, modelado y análisis de las estructuras que entren en servicio. Para determinar si las mismas cumplen los requisitos estipulados en las normas correspondientes para su uso durante su vida útil.
Es por ello que se pretende crear un sistema que permita conocer cómo se comportan las estructuras cuando las mismas son sometidas a diferentes tipos de cargas según sea el caso, dando así no solo la aprobación de la misma, sino que además poder contar en un futuro con un monitoreo de la misma.
Teniendo así un historial del comportamiento de la misma a lo largo del tiempo, lo que permitirá conocer si la estructura es apta para seguir en funcionamiento cuando la misma sea expuesta a diferentes fenómenos que puedan ocurrir, como lo pueden ser: eventos sísmicos, sobre cargas excesivas, resonancias frecuentes en la estructura y fatiga, entre muchas otras causas por la que las mismas pudiesen llegar a fallar.
Existiendo en el mercado, diferentes equipos y sensores que permiten medir estos fenómenos físicos, para así poder llegar a calcular todas las variables necesarias para conocer con un alto grado de precisión según sea el equipo las magnitudes físicas de dichas variables que podrían poner en riesgo a la estructura.
También es muy importante tener claro cuál es el equipo que se deberá utilizar según sea requerido, ya que esto podría llegar a ser una limitante por los costos de algunos de estos. Lo que repercutiría sustancialmente.
Es por ello que para esta investigación se tuvieron diferentes aspectos en consideración al momento de realizar la elección de los equipos a utilizar. Entre los que se tienen: Variables que se deseen medir, alcance de medición del equipo, costo del equipo, error del equipo, datos que genera el equipo y precisión del equipo.
Teniendo que buscar un equilibrio que satisfaga las necesidades de la prueba y que se encuentre dentro del presupuesto que se cuenta para la misma. Sabiendo que cada equipo tiene una función determinada que podrá o no satisfacer los requisitos de las partes. Tanto
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de la empresa constructora como del dueño de la obra.
2.2. Prueba de carga en puentes
Las pruebas de cargas, son análisis en los que se busca realizar una recopilación sistemática de los parámetros estructurales de los puentes, con el objeto de realizar comprobaciones de compatibilidad dinámica y estática tren-ruta de modo que se garantice la seguridad, funcionalidad y operación eficiente del transporte. Además de evaluar en comportamiento de los puentes frente a las máximas sobrecargas de explotación habituales [1].
Principalmente estas se dividen en dos tipos, dependiendo sea el caso:
➢ Puentes de obra nueva ➢ Puentes en servicio
Estas se diferencian ya que en una obra nueva no se tienen datos de los antecedentes de la estructura, por lo que es en este momento donde empieza la documentación en lo que tiene que ver con el comportamiento de la misma, a diferencia de cuando la estructura ya ha estado en servicio.
Cabe resaltar que cuando la obra se le realiza su primera carga y la misma es una obra nueva, se debe proyectar minuciosamente la carga que se aplicara, porque es probable que esta sea una de las primeras veces que los elementos estructurales se sobrecarguen, en el caso de un puente ya en servicio, se debe hacer este análisis también, pero ya esta estructura ha sido cargada en repetidas ocasiones por lo que reduce un poco la incertidumbre de la primera carga recibida
2.2.1. Metodología de la prueba de carga
Existe una metodología para realizar dichas pruebas de carga en cada uno de los casos anteriores según sea el caso, es decir, si la estructura es una obra nueva o una obra en servicio. Estas vienen normadas y detalladas por Adif [1], y las describe de la siguiente manera:
2.2.1.1. Puentes de obra nueva
➢ Estudio documental e inspección de la estructura • Estudio documental
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toda la información o datos relacionados al puente deben estar documentada y revisada incluyendo:
a) Datos básicos de partida: en la que se tendrán planos de la estructura y de cómo fue construido el proyecto, la situación geográfica y descripción del entorno, características mecánicas principales de los materiales, datos de todas las secciones tanto estructurales como no estructurales y las condiciones de explotación del puente
b) Parámetros medidos o calculados en el proyecto de construcción: detallando todas las medidas básicas tanto las medidas geométricas como características mecánicas de las secciones, los respectivos modos de frecuencia y el índice de amortiguamiento estructural
c) Trenes reales o modelos de carga que son necesarios comprobar
• Inspección de la estructura
Para empezar, se debe realizar una inspección preliminar de la estructura que se desea analizar con el fin de conocer diferentes aspectos que pueden de alguna manera condicionar o afectar a la prueba como lo son el entorno, ubicación y acceso a la misma. Además de observar de manera exhaustiva los elementos estructurales ya que estos son uno de los puntos de mayor interés durante el desarrollo de la prueba. Así como también observar patologías producto del servicio de la estructura como lo son las fisuraciones, y flechas en caso de estas ser perceptibles. Observar minuciosamente los apoyos y todos los elementos que conforman el puente, para así en el estudio post prueba, poder observar los comportamientos y cambios que surgieron debido a la misma y tener todo esto respectivamente documentado.
➢ Comportamiento estructural del puente
En los puentes de obra nueva es muy importante constatar que el comportamiento real de la estructura, registrado utilizando diferentes equipos y técnicas, corresponde con el comportamiento teórico. Esto con el fin de poder comprobar que el mismo tiene el comportamiento relacionado con el análisis realizada en su concepción.
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se debe completar es un análisis de la sobrecarga que se va a aplicar en la prueba, con el fin de que esta no sea la máxima, pero si una que se ajuste y con la que se pueda realizar los análisis correspondientes
Cuando se analiza el comportamiento, este se lleva acabo de dos maneras principales, la primera realizando una prueba estática, con el fin de conocer las flechas y deformaciones, y la segunda será la dinámica que nos permitirá conocer las aceleraciones, vibraciones y amortiguamiento de la estructura.
• Prueba estática
Para esto se necesita ubicar una carga en uno o varios puntos de la estructura, estos puntos están relacionados a donde el proyectista y entes encargados de realizar la prueba de carga deducen se encuentran los puntos críticos de la estructura donde se conseguirán las mayores flechas y deformaciones. Estos se deberán realizar siendo la siguiente secuencia:
a) Medida de lecturas iniciales
b) Colocación de la sobrecarga en el vano
c) Estabilización, medida y registro de las lecturas. Realización de medidas continuas hasta la estabilización de la mismas.
d) Descarga del tablero
e) Realización de lecturas comprobando que se alcanzan las recuperaciones exigidas
Además, se realiza una prueba cuasi estática, donde pasara la carga a una velocidad reducida (entre aproximadamente 5 – 10 km/h) realizando la medición de esta también
• Prueba dinámica
Para esta se deben monitorear varios puntos de la estructura, ya que el comportamiento dinámico a lo largo de tramo nos permitirá conseguir los coeficientes de impacto, las frecuencias naturales del puente y el amortiguamiento. Para lo que se deberá analizar como mínimo los siguientes casos de pruebas dinámicas:
a) Paso del tren de cargas a una velocidad intermedia
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c) Prueba de frenado en la que el tren de cargas adquirirá la máxima velocidad autorizada
➢ Puntos de medición y magnitudes a medir.
Según la norma [1], se estipula una cantidad mínima y puntos mínimos en los cuales se debe realizar la medición, estos puntos son:
• Desplazamientos Verticales (Flechas) • Desplazamiento Verticales (apoyos) • Deformaciones
• Aceleraciones
Por lo general, se deberán ubicar un mínimo de 2 sensores en el centro del vano, coincidiendo en cota estos con el eje longitudinal de los apoyos, además se deberá también medir los desplazamientos verticales en los apoyos, para poder conocer el desplazamiento total de la estructura y poder calcular la flecha real de los elementos estudiados. Las deformaciones siempre estarán relacionadas a la medición en el centro del vano.
En la prueba dinámica se emplearán acelerómetro, la norma estipula que deben tomarse principalmente las mediciones en el eje que coincida con el vertical, pero no limita a la medición en el resto de ejes. Teniendo un mínimo de un acelerómetro por vano para poder conseguir los modos de vibración. Para sistemas estructurales donde se tengan estructuras hiperestáticas, se recomienda utilizar un número mayor de estos para una óptima medición.
La medición dinámica contemplara tres fases principales:
a) Respuesta forzada ante el paso del tren: Permitirá observar el comportamiento de la estructura en servicio (factor de amplificación dinámico y amplitudes máximas)
b) Respuesta libre tras el paso del tren: Se podrá calcular el valor de la frecuencia y el amortiguamiento del modo fundamental
c) Respuesta ambiental (cargas ambientales): Permitirá realizar el análisis modal del puente
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prueba ya que todos los detalles podrían incidir en los valores calculados.
➢ Equipos de medición
Existen diferentes equipos y sensores con los que se pueden realizar esta mediciones, pero la norma [2], estipula algunos de los elementos que deberán estar presentes en los equipos de medición que se empleen, estando a su vez estos en periodo vigente de verificación y calibración.
a) Sistema óptico laser y/o transductores de desplazamiento para medida de flechas y desplazamientos en los apoyos
b) Bandas extensométricas o sensores de fibra óptica para la medida de deformaciones unitarias
c) Acelerómetros para obtención de aceleraciones verticales (resaltando que pueden ser medidos y estudiados sus tres ejes)
d) Termómetro e higrómetro
➢ Calculo teórico
Antes de proceder a realizar la prueba de carga se deberá realizar un cálculo teórico, el cual estipulará el valor de la flecha, deformaciones y sus frecuencias naturales. Diseñando un modelo de la estructura el cual será comparado con los valores conseguidos de manera practica en la prueba de carga. En el caso de que sea un puente de obra nueva, el proyectista deberá entregas un archivo ejecutable con el modelo de la estructura.
• Hipótesis de carga en el cálculo teórico.
Para realizar satisfactoriamente la prueba de carga uno de los factores fundamentales es proyectar la carga que será aplicada en la misma, teniendo al momento de proyectar la carga todas las especificaciones técnicas teóricas del puente. Es mandatorio conocer dos factores fundamentales para la prueba de carga, los porcentajes de carga que se aplicaran no pueden exceder el 70% de los valores de carga teóricos, y además que los mismos no serán mayorados. Considerando lo anterior surgen dos hipótesis:
- Hipótesis 1: Cargas correspondientes a la locomotora en la posición de la prueba de carga estática
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- Hipótesis 2: Peso propio de la estructura y las cargas permanentes para la estimación de la frecuencia fundamental de la oscilación de la estructura, como pueden ser: los paseos de servicio, superestructura, sistemas de drenaje, instalaciones
• Resultados teóricos previstos
Es muy importante documentar de una manera de fácil entendimiento, por lo que la norma [1], genera un formato de tablas el cual debe ser seguido, en el caso de los resultados teóricos previstos los mismos se apuntaran en la tabla mostrada en la figura 1.
Figura 1. Tablas resumen prueba estática
Fuente: Elaboración propia. ➢ Resultados obtenidos
• Prueba estática
Una vez se cumplen todas las condiciones anteriormente nombradas, se deberá tener en cuenta los siguientes conceptos los cuales estipularan la flecha final.
-Flecha obtenida: Esta corresponde a la magnitud medida en el centro del vano
-Flecha neta: Esta se obtiene realizando una resta de la flecha obtenida a los descensos en los apoyos.
-Flecha remanente: estos son los valores residuales una vez el puente es descargado, para constatar que el elemento estructural se recupere de manera satisfactoria.
Banda Posición Estática
Tensiones previstas (kp/cm2 ó μE)
Transducto/Sistema
Óptico Laser Estática
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• Prueba dinámica
Como en el caso anterior, se deberá realizar un tratamiento de los datos obtenidos en estas pruebas, los cuales permitirán analizar la respuesta dinámica de la estructura estudiada, los cuales son:
-Coeficiente de impacto medido
-Análisis de frecuencias naturales
-Amortiguamiento estructural
➢ Análisis de los resultados.
Se compararán los valores obtenidos en las pruebas estática y dinámica respectivamente con los valores teóricos. Realizando un análisis de estos, y además comparándoles en el caso del amortiguamiento con los rangos de tolerancia de la norma. Esto con el fin de determinar si el puente cumple los requisitos necesarios en cuando a respuesta estructural se refiere.
➢ Validación de la prueba de carga
Una vez se realiza la prueba de carga, es necesario validar las mismas. Para que las partes interesadas puedan constatar o corroborar que la estructura se encuentre dentro de los parámetros de seguridad. Por lo que la norma [1] estipula ciertos criterios de validación mínima que son necesarios para la aprobación de la misma. Por lo que una vez se recolecta toda la información, es necesario hacer la validación, constatando que lo valores cumplen con los estipulados en la norma. Cabe resaltar que esto se debe realizar tanto para la prueba estática como para la prueba dinámica
➢ Aptitud de la estructura
Una vez concluida y analizada la prueba de carga, se debe concluir si esta es válida, de ser así se debe realizar una evaluación de la aptitud del puente en función de su estado y del comportamiento estructural.
Esto se debe hacer con los valores remanentes obtenido en la prueba de carga (expresado estos en porcentajes) deberán cumplir los siguientes:
• Puentes de hormigón armado: menor de 20%
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• Puentes metálicos: menos de 10%
Cabe resaltar que existen otras características a evaluar o por complementar en este tipo de prueba de carga, pero no son aspectos técnicos sino de caracterización, por lo que no se anexaran en este estudio.
2.2.1.2. Puentes en líneas de servicio
➢ Estudio documental e inspección de la estructura • Estudio documental
Toda la información que se tenga debe ser recopilada y revisada, incluyendo datos de partida como los planos y documentación gráfica que permita conocer la geometría y esquemas estructurales de la obra. documentación previa en caso de existir, como inspecciones realizadas con anterioridad, pruebas de carga, la situación geográfica, las características mecánicas de los materiales que se utilizaron en la ejecución de la obra, tipos de secciones utilizadas y sus respectivas configuraciones.
➢ Inspección de la estructura
Para el estudio de la misma es necesario realizar una inspección exhaustiva del puente para verificar la forma geométrica de la estructura, detalles constructivos y las condiciones en las que se encuentran diferentes elementos de la estructura. por lo que será necesario subdividir esto en tres grupos principales:
• Relativo a las cargas de la estructura
Esta debe reunir información acerca del tipo de material y las dimensiones para el respectivo cálculo del peso propio de la estructura y de las demás cargas permanentes que hacen parte de esta. Además de conocer la posición de los elementos estructurales
• Relativo a la forma geométrica, detalles y dimensiones de la estructura Los planos y memorias graficas del puente deberán compararse en con la estructura, para corroborar que tenga concordancia con la misma y de caso contrario corregir los detalles pertinentes, tomando en cuenta todos los detalles de la forma y los materiales utilizados.
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• Relativo a las condiciones actuales y su comportamiento estructural Como este se ha encontrado en servicio en este caso, se deberá hacer un chequeo de las condiciones actuales, las cuales deberán especificar, si este está afectado por corrosión, si alguna de sus juntas se encuentra suelta o tornillos rotos, localizar daños externos, filtraciones de agua existentes, si existen elementos deformados, grado de deterioro de los materiales, daños generados por el paso vehicular, daños en los soportes o apoyos, entre otros
➢ Comportamiento estructural del puente
En cuanto al comportamiento estructural se refiere, este se debe estudiar de la misma forma que el caso anterior (puentes de obra nueva), ya que los comportamientos de las estructuras dependen de su conformación estructural. Es por ello que se realiza tanto la prueba estática como la prueba dinámica aplicando los mismos procedimientos de carga, descarga y paso de la carga dinámica por el puente
➢ Puntos de medición y magnitudes a medir
Según la norma correspondiente a este estudio [1], es obligatorio para cualquier prueba de carga medir los siguientes datos:
• Desplazamientos Verticales (Flechas) • Desplazamiento Verticales (apoyos) • Deformaciones
• Aceleraciones
En este caso se realizará de igual manera que para un puente de obra nueva, pero de existir algún punto en el que se crea existe alguna incertidumbre o anomalía, se recomienda monitorizar este también y ver si guarda relación con el comportamiento general de la estructura.
➢ Equipos de medición
Para los dos tipos de prueba se emplearán los mismos equipos, ya que se necesitarán conocer los mismos parámetros.
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➢ Calculo teórico
Antes de proceder a realizar la prueba de carga, es necesario realizar cálculos que permitan conocer la capacidad portante del puente. Para poder obtener todas las variables teóricas que serán las que se compararán con las obtenidas en la prueba de carga. Así como también los trenes de carga los modelos de carga para la caracterización de la estructura. A su vez se estudiará también el efecto de las cargas permanentes y las acciones complementarias de lazo, frenado y arranque, viento y fuerza centrífuga, en su caso
Teniendo en cuenta que todas las hipótesis que se plantean, no se le deben aplicar factores de mayoración de cargas. Y estas serán divididas según indica la norma [1] en dos grupos:
• Hipótesis de carga para el cálculo de tensiones teóricas de la prueba de carga: - Hipótesis 1: cargas correspondientes a las de la locomotora en la
posición de la prueba estática
- Hipótesis 2: cargas correspondientes a las de la locomotora en la posición de la prueba de carga dinámica
• Hipótesis adicionales para información complementaria:
- Hipótesis 3: Peso propio de la estructura y las cargas permanentes, como pueden ser: los paseos de servicio, superestructura, sistema de drenajes, instalaciones
- Hipótesis 4: Cargas correspondientes a las de los vagones acoplados de la categoría D4, circulando sobre el puente
- Hipótesis 5: Cargas correspondientes con las máximas en circulación por la línea. Al ser pésimas condiciones de carga, esta hipótesis define la aptitud del puente.
- Hipótesis 6: Cargas correspondientes a las cargas del trasporte excepcional
- Hipótesis 7: carga horizontal transversal y puntual correspondiente al efecto del lazo
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- Hipótesis 8: Cargas longitudinales repartidas en cada larguero correspondiente a la acción de frenado y arranque sobre el puente
- Hipótesis 9: Cargas correspondientes a la acción del viento sobre la estructura, y el viento sobre el tren, incluyendo acciones transversales, empuje vertical y el efecto del momento de vuelco, producido por el viento sobre el tren
- Hipótesis 10: Cargas correspondientes a la acción de la fuerza centrífuga si corresponde
➢ Resultados teóricos previstos
Como se tienen diferentes hipótesis, se obtendrá diferentes resultados teóricos. Cabe resaltar que se deben realizar tantas hipótesis como estas existan en la estructura, ya que será esto una de las bases importantes de tener un estudio satisfactorio, teniendo claro que las hipótesis estarán subdivididas en dos grupos fundamentales que deberán ser analizados y los cuales son:
• Tensiones por acciones verticales
• Tensiones por acciones verticales y complementarias ➢ Resultados obtenidos
Una vez obtenidos los resultados, surge la necesidad de extrapolar estos a las situaciones de cargas más críticos. En cada uno de los cálculos se debe tener presente el efecto de impacto de la velocidad máxima de circulación sobre el puente, así como tener identificado el punto exacto por el que se transfiere la carga. Una vez se conozcan los valores máximos, cuando la velocidad del tren de carga sea la máxima permitida en el tramo, se procederá a evaluar la actitud de la estructura.
➢ Validación de la prueba de carga
En el caso de la validación de los resultados obtenidos, la norma [1], estipula los rangos para cada uno de las variables principales a tener en consideración. Para la aprobación de la prueba es necesario cumplir con los requerimientos mínimos estipulados por esta, para así poder considerar la estructura apta para el servicio.
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Según la norma [1], el comportamiento estructural se puede clasificar en tres tipos, en función del coeficiente de seguridad obtenido en el cálculo con acciones verticales y el cálculo con acciones verticales complementarias, contrastadas con las mediciones de la prueba de carga.
Por lo que dicha norma clasifica dependiendo de los factores de seguridad utilizados y la hipótesis que define la aptitud de la estructura, definiendo así si la misma cuenta con las condiciones necesarias para el servicio.
Como en el caso anterior, es importante denotar que existen otros apartados que se deben llevar a cabo para poder concluir la prueba de carga, pero no es de mayor interés en el caso del estudio que se pretende realizar
2.3. Tecnologías Utilizadas para pruebas de carga en puentes
Existen diferentes tipos de tecnologías las cuales permiten poder determinar las magnitudes físicas de las variables de interés durante la prueba de carga en puentes, según sea el caso se deberán adoptar diferentes equipos, entre los que se tienen:
2.3.1. Transformador diferencial de variación lineal
Este es un tipo de transductor electromecánico que puede convertir el movimiento rectilíneo de un objeto al que este acoplado mecánicamente en una señal eléctrica (figura 2). Este tiene una alta precisión, pero una de los limitantes es el alcance del mismo [2].
Figura 2. Transformador diferencial de variación lineal.
Fuente: [2].
Este indica la dirección del desplazamiento gracias a las salidas de los dos bobinados secundarios que se encuentran mutuamente balanceados. Teniendo en la posición de
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equilibrio en la que no se genera desplazamiento, la señal es igual a cero. Asociando por el voltaje en desplazamiento al que está siendo sometido dicho equipo.
2.3.2. Transductor de deformación típico.
Estos son equipos que se fijan a las estructuras anclando estos a la misma, generando la medición basada en la fuerza de presión que se ejerce sobre la estructura. este convierte una señal eléctrica en la deformación (figura 3).
Figura 3. Transductor de deformación típico.
Fuente: [2].
Teniendo como una de las desventajas principales, que el mismo debe ser calibrado una vez este anclado a la estructura que se desee medir.
2.3.3. Microcontroladores.
Existen sin fin de microcontroladores los cuales pueden ayudar a cuantificar tanto los fenómenos producidos por la aplicación de carga estática como los generados por las cargas dinámicas que experimenta la estructura de estudio. Estos en su mayoría funcionan generando una medición basada en la variación del voltaje según sea el caso (figura 4).
Figura 4. Acelerómetro de tres ejes.
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La mayoría de estos son programables, lo que permite a los especialistas poder dar las instrucciones necesarias para la toma y transformación del dato que se consigue cuando se utilizan estos [3].
2.3.4. laser.
Al evolucionar las tecnologías, salieron al mercado equipos como láseres de medición de largo alcance y de alta precisión, lo cual permite ser más precisos y eficaces en la toma de las medidas, lo que reduce significativamente el error (figura 5).
Figura 5. Laser de alta precisión.
Fuente: [4].
Estos tienen un costo más elevado que los anteriores, pero pueden llegar a ser necesarios en muchos casos, como cuando la estructura cuenta con una gran altura o es muy complicado el acceso a la parte inferior de la misma [4].
2.3.5. Fibra óptica
En la actualidad existen diferentes sensores que implementa tecnología y comunicación acta `para la compatibilidad con fibra óptica (figura 6), permitiendo tener un monitoreo bastante preciso de diferentes magnitudes en las estructuras, cabe resaltar que con este se puede medir u obtener datos a lo largo de la misma siendo bastantes precisos y además teniendo una comunicación bastante rápida.
Esta tecnología es la que en la actualidad se está usando en la mayoría de casos, aunque supone un alto coste y una mano de obra especializada. Siendo la fase de instalación bastante importante ya que estos equipos son muy frágiles en cuanto a su manejo [5].
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obteniendo datos como aceleraciones, vibraciones, amortiguamiento, entre otros, cada vez que la estructura experimente los mismo. Y comunicando estos a un servidor de manera directa a un equipo según sea el caso donde se permitan observar y manipular los mismo para poder llegar a las conclusiones pertinentes.
Figura 6. Fibra óptica en sección de acero.
Fuente: [5].
2.4. Modelos BIM
Los modelos BIM (siglas de Building Information Modelling), consiste en una metodología de trabajo colaborativo aplicado a nivel mundial que documenta todo ciclo de vida de una obra de construcción mediante el uso de herramientas informáticas [6].
Estos modelos poseen diferentes datos, que permiten unificar todas las partes de un proyecto, para así poder tener un mejor aprovechamiento de todos los recursos, y minimizando diferentes posibles errores que existen con el intercambio de información entre las partes de un proyecto. Lo que permite tener un desarrollo más optimo, y una información más precisa. Además, que en muchos casos esta metodología de trabajo disminuye tiempo de análisis, por la interconectividad que tiene las partes.
En los casos que se analizaran en esta investigación, todos los modelos se realizaran en el software Rhinoceros 7, ya que este cuenta con diferentes herramientas, que permitirán parametrizar el elemento de estudio y crear una herramienta propia para el cálculo, la cual se pensara para un caso general, y así poder contar con una herramienta de análisis propio dentro de este software.
Para esto se utilizara Grasshopper, herramienta que posee este software, para incluir diferentes tipos de análisis parametrizados como el usuario lo estipule, brindando también la oportunidad a el mismo de adecuar el diseño dependiendo a sus necesidades, por lo que este
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no solo cuenta con herramientas propias, con las cuales facilita el trabajo y el análisis, sino que también ofrece la oportunidad de generar herramientas programables en diferentes lenguajes de programación, para asignar tareas que el mismo no trae por defecto.
También se podrán utilizar algunos plugins que se pueden añadir a la interface, algunos de estos libres, y que son generados inclusive por otros usuarios, con los que se minimiza el desarrollo de algunas operaciones. Lo que ayudara a poder realizar todo el análisis en un mismo software.
Por lo que se tendrá una mayor fluidez de los datos, para poder dar resultados y conclusiones de una manera más rápida. Esto debido a que el mismo permite trabajar en su interface recibiendo datos de diferentes dispositivos o sensores con un tiempo de espera muy bajo, dando la percepción al usuario, de que la recepción de datos es en tiempo real, ya que la demora de los resultados podrá ser de algunos milisegundos que no serán perceptibles para el mismo.
Una vez que se logra obtener y generar toda la información del modelo, este software nos permite exportar el mismo a diferentes softwares que siguen la metodología BIM, lo que conllevaría además poder realizar algunos otros análisis que sean requeridos de una manera más rápida, lo que da mayor versatilidad a esta herramienta.
2.5. Medición
Para poder realizar las pruebas de carga, además de muchos factores fundamentales como la geometría y composición de la estructura, es muy importante determinar cuál será el equipo necesario para realizar las mismas. Ya que de esto dependerá la precisión de la misma. Por lo que se debe conocer las características del equipo a utilizar.
Pero antes es importante conocer que fenómeno es el que se desea medir, para luego poder determinar cuál será el equipo a utilizar. Por lo que se analizara por separado cuales son las variables que se desean conocer tanto en la prueba de carga estática como en la prueba de carga dinámica.
En el caso de la prueba de carga estática, será necesario cuantificar la flecha que se genera cuando se aplica una carga sobre la estructura, para esto será necesario realizar una medición cuando el elemento se encuentre descargado, para tener este como punto de partida y tener un punto de comparación inicial, y luego se cargará el elemento para poder cuantificar y
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proyectar dicha flecha. La flecha será el producto de la diferencia de las dos anteriores teniendo en cuenta que no solo se debe tener la medición máxima, sino que además se deberá conocer la variación que se produce en los apoyos, de estos ser afectados, ya que influirá en el cálculo final donde se toma en cuenta todas estas variables.
Y para la prueba dinámica, los factores a tomar en cuenta serán diferentes, ya que se necesitará conocer los valores de las frecuencias producidas en la estructura cuando esta es sometida a cargas dinámicas, además de calcular también el amortiguamiento respectivo que se genera en la misma. Por lo que, si se realiza un estudio de las aceleraciones producto de la carga dinámica, se podrá conseguir las respectivas interrogantes. Por lo que se deberá utilizar un dispositivo que permita cuantificar las aceleraciones en la estructura.
Una vez se traten todos estos datos, se deberán comparar con los teóricos. Por lo que es de gran importancia tener claras todas las características tanto físicas como mecánicas, para así poder minimizar las incertidumbres.
Cabe resaltar que muchos de los dispositivos y sensores que se utilizan actualmente en la estructura, podrían dejarse permanentemente en la misma. Para así poder monitorizar y ver la respuesta de la misma ante diferentes cargas y fenómenos a la que estará expuesta la estructura a lo largo de su vida útil. Y lo que daría un aporte científico significativo no solo a esta estructura sino también a las futuras, ya que se podrá estudiar el comportamiento real de las mismas y así también.
Teniendo acceso remoto a la misma en cualquier momento, y teniendo un historial del mismo. Es importante denotar que es posible solo para algunas de las variables. Lo que nos generaría un gemelo digital (Digital Twin) de la estructura.
Los equipos de medición tienen rangos muy diferentes de costos, dependiendo de los componentes que el mismo tenga. Algunos de estos hacen parte de la estructura permanentemente y otro pueden implementarse en la misma por periodos de tiempo determinado. Factor que definirá la empresa encargada de la gestión de la misma.
Algunos de los sensores que se utilizan permanentemente, no solo se limitan a tomar los datos necesarios por parte de las pruebas de carga, sino que además podrán registrar fenómenos sísmicos que se registren en el área donde la estructura este ubicada. Lo que dará información también acerca de cómo se comporta la estructura ante agentes sísmicos o
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impactos.
2.6. Estructuras beneficiadas
Los puentes son estructuras singulares que pueden llegar a tener numerosas configuraciones estructurales, por lo que se debe elegir los sistemas estructurales que se analizaran, para así poder desarrollar de una manera óptima, todo lo referente al cálculo y análisis de la estructura.
Estos tendrán que tener una configuración de un único vano, y las condiciones de contorno pueden varias según el diseñador lo estipule, es decir, en ambos extremos se podrá considerar que la estructura puede estar: empotrada, articulara, rodillo o libre. Y para el caso de las cargas, esta deberá ser una carga puntual en el centro del vano o una carga distribuida sobre toda la longitud del vano.
Con esto se centrará el cálculo en una cantidad limitada de puentes, lo que no condiciona el tipo de puente, mientras se cumpla con todas las condiciones referidas anteriormente. Entre los puentes que se podrán analizar para realizar la prueba de carga se encuentran los siguientes:
➢ Puentes viga: a estos se les podrá realizar un análisis exhaustivo, ya que cumplen con todos los requisitos necesarios para realizar el análisis que se pretende desarrollar.
➢ Puentes arco, celosía, tirante y colgante: para estos no se podrá realizar el análisis estructural con el algoritmo que se desea desarrollar, ya que los comportamientos y análisis de estos son diferentes al anterior. De igual manera cabe resaltar que de igual manera se le pueden realizar todas las pruebas con el equipo respectivo, solo que el análisis estructural se deberá plantear de una manera diferente.
Teniendo también claro que, en este caso, se plantea realizar los estudios para puentes ferroviarios, por lo que estipula que lo idóneo es realizar el análisis para los puentes tipo viga, que son los más usuales para este tipo de uso.
Por lo que también se tendrá una mejor observación de los fenómenos que ocurren en el mismo durante la prueba, ya que se tendrá más control de la carga y además, que son cargas significativas.
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Capítulo III: Herramientas
A lo largo de la investigación, será necesario implementar diferentes herramientas para poder abordar esta, y llegar a tener una solución que se adapte a las necesidades que plantean este problema. Por lo que será necesario implementar diferentes instrumentos tanto físicos como digitales que permitan dar solución al mismo.
Por lo que se hará un análisis de la funcionalidad de cada una de las herramientas con las que se trabajaran, para poder conocer el alcance y las capacidades que tienen cada una de estas. Entre estas se tienen:
3.1. Sensores
Para las mediciones que son necesarias realizar, se deberán utilizar diferentes tipos de sensores, según la magnitud que se desee medir. Y estos necesitaran del algún dispositivo que controle cómo será la recolección de los datos del mismo, para así poder adaptar estos a los requerimientos necesarios.
En concreto, se trabajará con los siguientes:
3.1.1 Arduino UNO
Esta es una placa de microcontrolador de código abierto (Figura 7), desarrollada por ARDUINO. La misma cuenta con 14 pines digitales y 6 pines analógicos. Y su comunicación con un ordenador es a través de la comunicación serial [7].
Figura 7. Arduino UNO
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Esta debe ser alimentada con 5 voltios, y es utilizada para desarrollar elementos autónomos o para ser conectado con otros programas y así poder trabajar y manipular de una mejor manera, los datos u ordenes que se reciben y emiten por dicha placa.
3.1.2 Arduino DUE
La misma es una placa de microcontrolador de código abierto, teniendo la misma utilidad que el ARDUINO UNO, pero con más pines digitales y analógicos (figura 8). Lo que permite contar con mayor cantidad de controladores, y también permite registrar datos más precisos [7].
Figura 8. Arduino DUE
Fuente: [7].
Cabe resaltar que esta placa es mucho más moderna y con mayor rendimiento de procesamiento, pero para algunos casos no es viable, ya que muchas de las librerías que se usan en software ARDUINO para los controladores, no son compatibles con esta placa. Por lo que dependiendo de la necesidad que se tenga puede mejorar sustancial el proceso o no.
3.1.3 Acelerómetro ADXL335
Este es un acelerómetro analógico de 3 ejes (figura 9), que sirve para medir la aceleración de un rango de +3G a -3G, pudiendo con este medir tanto la aceleración de gravedad estática, como aceleraciones dinámicas producto de movimiento, choque o vibraciones [7].
Este cuenta con 6 pines, 3 de los cuales son la salida de cada uno de los ejes respectivamente (X, Y y Z), uno para el voltaje que viene denotado con las siglas VCC (5V), uno para tierra que viene denotado con las siglas GND, y el ultimo es un reloj el cual se denota con ST.
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Figura 9. Acelerómetro ADXL335
Fuente:[7].
3.1.4 Acelerómetro MPU9250
Este es un sensor que contiene todo lo necesario para la medición de movimiento en 9 ejes. Combinando un acelerómetro de 3 ejes, un giroscopio de tres ejes y un magnetómetro de 3 ejes en un solo controlador (figura 10), siendo este un sensor digital capaz de realizar complejos algoritmos para la obtención de estos datos [7].
Figura 10. Acelerómetro MPU9250
Fuente: [7].
Cabe resaltar que, para poder hacer uso de este microcontrolador, es necesario poseer la librería I2C, la cual permitirá poder usar el mismo satisfactoriamente. Este cuenta con una serie de rangos para cada uno de los ejes que mide los cuales permiten capturar de una
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manera precisa movimientos de diferentes intensidades.
3.1.5 Sensor Laser VL53L1X
Este sensor genera un rayo no perceptible al ojo humano (figura 11), el cual usa para medir distancia con gran precisión. Teniendo un rango de medición de 4 cm a 1,30 metros, con una precisión de aproximadamente 2 milímetros [7].
Figura 11. Sensor laser VL53L1X.
Fuente:[7].
Es muy importante al momento de la medición, la iluminación del entorno, ya que eso reducirá o aumentará la precisión según sea el caso. Al igual que la superficie de contacto, ya que existen algunas superficies que no permiten un buen rebote del rayo, por lo que la medida se ve afectada.
3.1.6 Servos paso a paso
Un servo motor es un tipo de accionador que permite controlar el ángulo de giro, se le ordena desde la interfase el ángulo que se desea obtener, y el mismo automáticamente se posiciona en la posición deseada (figura 12). Cabe resaltar que estos tienen un rango de 0 a 180 grados.
Estos requieren de una alimentación de un rango entre 4,8 Voltios y 7,2 Voltios, siendo el valor adecuado para el mejor funcionamiento de los mismos 6 Voltios. Cuando las tensiones son diferentes a la adecuada, se genera un mal funcionamiento en el mismo, por lo cual hace perder a los mismos precisión [7].
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Figura 12. Servo paso a paso.
Fuente: [7].
3.2 Equipos 3.2.1 Laser
Este es un equipo de medición que se ha creado en la Universidad Politécnica de Catalunya, haciendo uso de diferentes tipos de sensores, el cual permite realizar mediciones en superficies. Este nos genera un punto en tres dimensiones. y relaciona la distancia con los ángulos que percibe el giroscopio del mismo equipo para poder tener el punto preciso que se está midiendo.
Cabe resaltar que el mismo envía los datos por el puerto serial hasta Grasshopper. Donde usando diferentes herramientas procede el mismo a realizar el dibujo de la superficie en tiempo real, lo que permite tener la misma en un entorno BIM.
El mismo tiene algunas limitaciones de distancia, ya que el láser incorporado tiene un rango limitado. Además, en la programación del mismo existen diferentes artificios matemáticos, los cuales permiten obtener un dato con una alta precisión.
Este fue ensamblado con diferentes tipos de sensores entre los que se tienen:
➢ 2 servo motores paso a paso: los que permiten girar el resto de componentes, uno de ellos rota sobre el eje “Z”, mientras el otro gira alrededor del eje “X” o “Y”. lo que permite poder hacer un escaneo completo de la superficie a estudiar, limitando los ángulos de los servos, y haciendo que estos giren un rango especifico.
➢ Acelerómetro MPU 9250: este puede estipular el ángulo en el que se encuentra el sistema, para asi poder utilizando trigonometría, poder calcular la coordenada
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donde se encuentra el punto que se está escaneando, una vez se tenga la distancia.
➢ Laser VL53L1X: el que nos indica cual es la distancia que existe entre este y el punto de interés, para así poder conocer todas las componentes.
➢ Arduino UNO: en este se cargarán todas las instrucciones que deberán seguir todos los anteriores para poder tener la información que se desea. A su vez, una vez termine el proceso de lectura del punto, este será el encargado de comunicar mediante el puerto serial, a el software que se desee utilizar como interfase, los datos obtenidos.
3.3 Softwares
Con el fin de poder interpretar y unificar, todos los datos conseguidos y datos de partida, el necesario utilizar diferentes tipos de software que no permitan poder llevas toda la información hacia ellos y desde los cuales además se va a realizar también algunas órdenes para que el proceso se dé con normalidad fluidez.
Existen en el mercado múltiples opciones a elegir, pero para esta investigación, se utilizarán los siguientes:
4.1.1 Arduino:
Este software es en el que se generaran la serie de órdenes que permitirán manejar los controladores, según estos sean requeridos. Cabe destacar que este usa un lenguaje de programación que se parece al de JAVASCRIPT, pero tiene ciertas variaciones las cuales permiten no solo leer y enviar datos, sino que además manipular los mismos dentro de su interfase (figura 13).
En ella además se deberán hacer uso de diferentes librerías, muchas de las cuales se encuentran por defecto en la barra de herramientas en Programa>incluir librería. Donde no solo se podrá elegir las que ya existen allí para múltiples controladores, sino que también se podrán importar o instalar diferentes librerías que sean necesarias y que el mismo no las incluya.
Este también tiene integrado una ventana donde se pueden observar los datos que se están recibiendo o enviando según sea el caso por el puerto serial. Lo que permite asegurar que la
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información con la que se está trabajando, es la esperada.
Figura 13. Interfase ARDUINO.
Fuente:[10].
Y como diferentes softwares de programación, este cuenta también con un espacio donde se puede compilar el mismo para revisar que el código que contiene las ordenes está escrito de manera correcta, y otro en el que se carga dicho código en las placas con la que se esté trabajando.
4.1.2 Rhinoceros 7
Es un software que permite realizar modelos 3D, este forma parte de la metodología BIM, por lo que las acciones que allí se realicen, podrán ser exportables a otros softwares que formen parte de esta misma metodología, este da una visión bastante amplia en los diferentes planos que conforman el espacio (figura 14).
En este se podrá crear: geometría básica, curvas, solidos, superficies, mallas, nubes de puntos, entre otros. Que se podrán editar, renderizar y analizar en esta misma interfase. En el cual hay contenido, además, algunas herramientas, que permitirán realizar un análisis más a fondo, y pudiendo adaptar este a las necesidades de análisis que requiera el usuario.
Entre las herramientas que más se usaran se tienen: RhinoScript , Grasshopper, PythonScript, entre algunos otros.
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Figura 14. Interfase Rhinoceros7.
Fuente: [12].
Para esta investigación se utilizará permanentemente la herramienta Grasshopper, la cual se puede abrir desde la barra de tarea en el apartado Herramientas>Grasshopper, o deletreando el mismo en la barra de comandos.
Dicha herramienta nos ofrece una interfase diferente a la de Rhinoceros 7, pero las acciones que se realicen en la interfase de Grasshopper (figura 15) se podrán observar en la interfaz de Rhinoceros.
Figura 15. Interfase Grasshopper.
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Desde el mismo se podrán realizar diseños paramétricos, los cuales facilitarán los cambios en los modelos, ya que cambiando una de las variables, el dibujo se modificará según la misma.
Para facilitar el ingreso de los datos iniciales, se utilizarán algunos de los plugins que ofrece Grasshopper como lo son: slider, number, list. Y algunos de operaciones matemáticas básicas y de creación de puntos, como se puede observar en la siguiente figura.
Figura 16. Plugins más usados
Fuente: [12].
A parte de los anteriores, también se utilizará para los casos de análisis estructural el plugin GhPythonScript (figura 17), el que permitirá programas todo el análisis que no viene estandarizado como plugin de esta aplicación y el que dará y definirá cual es el comportamiento estructural de los elementos a analizar.
Figura 17. Plugin GhPythonScript
