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2020-05-19 ¿Cómo aprendieron los puentes a hablar y qué pueden decir?

BID |Antecedentes y justificación del uso de puentes inteligentes BWIM (Bridge Weigh-in-Motion)

En el mundo

Las estaciones de pesaje estáticas permanentes y otros sistemas alternativos a los cuales se les denomina “Weigh-In-Motion” (WIM), se utilizan para obtener el peso total, peso por eje y distancia entre ejes de los vehículos pesados que transitan por las carreteras. En 1979 Fred Moses demostró que se pueden colocar sensores en los puentes, para obtener la misma información provista por los sistemas WIM, dando origen a los sistemas Bridge Weigh-In-Motion (BWIM) (Moses, 1979). Desde entonces, se han propuesto métodos BWIM basados en la medición de diferentes parámetros de respuesta de los puentes, tales como: deformaciones unitarias, desplazamientos y aceleraciones, líneas de influencia, entre otros.

De acuerdo con Aleš Žnidarič, director del Slovenian National Building and Civil Engineering Institute (Žnidarič, 2020), el desarrollo e implementación de los sistemas BWIM se ha incrementado en los últimos 30 años. En países europeos tales como Eslovenia, Croacia y Suecia, realizan la estimación de las cargas exclusivamente con tecnologías BWIM. También han sido utilizados con éxito en Australia, Canadá, Colombia, Estados Unidos, India, Irlanda y Japón. La iniciativa privada con mayor experiencia es la empresa CESTEL[1], la cual tiene el SiWIM[2] (Ver video demostrativo), cuya metodología de recolección de datos fue planteada en Irlanda y Eslovenia en 1990. Entre el 2000 y 2003, la empresa diseñó su hardware y software, y paulatinamente incorporó herramientas tales como: cámaras, acceso remoto a la información y mejoras al software. Finalmente, en el 2013 comercializa su producto en Eslovenia y en el 2014 empieza a ofrecerlo internacionalmente.

De acuerdo con Aleš Žnidarič, director del Slovenian National Building and Civil Engineering Institute (Žnidarič, 2020), el desarrollo e implementación de los sistemas BWIM se ha incrementado en los últimos 30 años.

En Costa Rica

Son dos los antecedentes. El primero fue un estudio realizado como proyecto de graduación de la Escuela de Ingeniería Civil (EIC). Se realizó una prueba piloto en la cual se identificaron 3 vehículos pesados sobre un puente tipo Bailey (Carrillo, 2019). A pesar de que se encontraron dificultades debido al tipo de puente, se obtuvo diferencias menores al 10% con respecto a un camión de calibración. No obstante, no se pudo corroborar la confiabilidad y eficacia del método, puesto que no se contrastó con mediciones en balanzas estáticas y se requieren obtener diferencias aproximadas a un 5%.

Ante dicho escenario, el ingeniero Sergio Lobo (coautor de este blog), gestionó la realización de un segundo piloto, que fue realizado entre el 17 y 18 diciembre de 2019, con una colaboración entre la Universidad de Costa Rica (UCR) y la Universidad de Connecticut (UConn). Los resultados preliminares sugieren una desviación por porcentaje de error promedio del 5% y coeficientes de determinación mayores a 0.945. Estos resultados podrían deberse a errores sistemáticos que se podrían disminuir o relacionar a un factor, lo cual presenta la opción de desarrollar un método BWIM tropicalizado que sea confiable y eficaz.

Puentes del segundo piloto

Sensores, acelerógrafo, nodo y computadora portátil

Deformaciones unitarias registradas para el vehículo CAM, en una de las rosetas colocadas en el puente sobre el Río Desjarretado.

¿Cuál es la oportunidad?

Costa Rica (CR) cuenta con una de las redes viales más densas de América Latina y el Caribe (ALC), con una cobertura de 76 km de vías por cada 100 km2 de superficie. La Red Vial de Alta Capacidad (RVAC), es el más importante corredor de toda la red vial de CR, y está constituido por 1,672 km de vías pavimentadas y 379 puentes. Sin embargo, este tiene deficiencias importantes en cuanto a capacidad y vulnerabilidad.

A través de la RVAC y el resto de las carreteras, se mueve la mayoría de la carga pesada en CR ya que, la vía férrea está habilitada solo en tramos cortos y para cargas específicas como: banano y acero en el caribe costarricense. Según el Plan Nacional de Transporte (MOPT-INECO, 2011), con datos al 2009, la RVAC, dispone de una carga estimada de tráfico total de 1,668 millones de toneladasxkilómetro y de una intensidad de tráfico de 3.923 camiones/día. A su vez proyecta que al año 2035, suponiendo un crecimiento del tráfico portuario y del comercio exterior del 2,8 % anual, aumenta a un total de 3.423 millones de toneladasxkilómetro y de 8.418 camiones/día. Por tanto, las limitaciones funcionales actuales, que inciden en la capacidad y vulnerabilidad, se agravarán de manera intensa.

Para mejorar la administración de la infraestructura vial y asegurar que las inversiones cumplan la vida útil para la cual fueron diseñadas, es necesario mejorar la recopilación de la información referente al parque de vehículos pesados que transitan por las rutas ya que, existe evidencia de que no se están estimando apropiadamente.

El control del peso se justifica desde tres perspectivas (Badilla, 2007): i) seguridad vial, ii) conservación vial, y iii) competencia desleal. Además, es una característica valiosa ya que, por ejemplo, permite: conocer la “salud estructural de los puentes”, diseñar obras de estabilización de taludes, crear modelos de contaminación del aire y crear rutas óptimas para los negocios de transporte de carga. (Wall, Christenson, McDonell, Jamalipour, 2009).

Como se mencionó en el blog anterior ¡Puentes que hablan!, las estaciones de pesaje que existen en las rutas de CR están concentradas solamente en cinco puntos. Por tanto, para la mayoría de las rutas, se desconoce cuáles son las características de los vehículos que transitan.

En la siguiente publicación, se enumerarán las ventajas que tiene BWIM para recolectar esta información con respecto a otras tecnologías lo cual, plantea el reto de proponer un proyecto innovador que permita finalizar las investigaciones y así encontrar una solución viable para CR, e incluso pueda escalarse a ALC.

 Referencias:

Badilla, G. Incidencia de las estaciones de pesaje móvil en los factores camión en pavimentos de Costa Rica. 2007.

Carrillo, W. Prueba piloto de un sistema de pesaje dinámico basado en la deflexión vertical de un puente Bailey. Trabajo Final de Graduación. Escuela de Ingeniería Civil, Universidad de Costa Rica. 2019.

MOPT-INECO. Plan Nacional de Transportes de Costa Rica 2011-2035. Anexo.1 Caracterización del Transporte Terrestre Internacional de Mercancías. Previsión de Tráficos e Intensidades. Setiembre, 2011.

Moses, F. Weigh-In-Motion System Using Instrumented Bridges. Proceedings of the American Society of Civil Engineers, Transportation Engineering Journal of ASCE, Vol. 105, 1979, pp. 233-249.

Wall, C.J., R.E. Christenson, A.M. McDonell, and A. Jamalipour. A Non-Intrusive Bridge Weigh-In-Motion System for a Single Span Steel Girder Bridge Using Only Strain Measurements. Report Number CT-2251-3-09-5, Connecticut Department of Transportation, 2009.

Znidaric, A. Comunicación personal mediante video-llamada. Marzo, 2020.

BID
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