CASOS D'ÚS
Monitorització de ponts amb sensors làser: fletxa, deformació i desplaçament

La monitorització de ponts amb sensors làser de distància permet mesurar de forma contínua i sense contacte canvis de posició, fletxa, deformació i desplaçaments relatius a taulers, piles, suports, pilons i altres elements estructurals.

En aplicacions de auscultació de ponts, proves de càrrega o seguiment durant obres de rehabilitació, un sensor làser es pot instal·lar sobre una referència estable i mesurar repetidament la distància fins a un punt de l'estructura. L'evolució d'aquesta distància permet detectar moviments mil·limètrics i analitzar com respon el pont davant de càrregues, trànsit, operacions de muntatge, canvis tèrmics o intervencions d'obra.

El mesurament és conceptualment senzill, però la seva interpretació correcta exigeix estudiar la geometria d'instal·lació. Un sensor làser mesura directament una distància; convertir aquesta distància en fletxa vertical, desplaçament horitzontal o deformació estructural requereix conèixer la posició del sensor, de lobjectiu i les possibles direccions de moviment.

Aquesta aplicació forma part de la nostra guia sobre monitorització d'estructures, ponts, túnels i talussos amb sensors làser.

Què es pot mesurar en un pont amb un sensor làser?

Un sensor làser de distància mesura la separació entre l'instrument i el punt o objectiu sobre el qual incideix el feix. Segons com es dissenyi la instal·lació, aquesta mesura es pot utilitzar per controlar diferents fenòmens estructurals.

• Fletxa o deflexió del tauler: desplaçament vertical d'un o més punts del tauler quan actuen càrregues, trànsit o vehicles utilitzats durant una prova de càrrega.
• Desplaçament de piles: control de moviments respecte a una referència considerada estable.
• Moviment de suports: seguiment de canvis relatius entre elements de lestructura.
• Moviment entre piló i tauler: mesurament a llarga distància de variacions geomètriques entre diferents parts del pont.
• Deformació d'estructures metàl·liques: seguiment de diversos punts durant transport, hissat, muntatge o posicionament.
• Comportament durant una rehabilitació: detecció de moviments mentre es tallen, desmunten o modifiquen elements duna estructura existent.
• Resposta davant de càrregues: registre de corbes de desplaçament durant proves de càrrega estàtiques o dinàmiques.

Un únic sensor proporciona una distància escalar. Per tant, no mesura directament tensions mecàniques, capacitat resistent ni un desplaçament tridimensional complet. Quan cal conèixer diversos components del moviment, es poden emprar diversos sensors, altres adreces de mesura o instruments complementaris.

Mesura de la fletxa d'un pont amb sensors làser

La fletxa d'un pont és una de les aplicacions més interessants del mesurament làser sense contacte. L'objectiu és observar quant es desplaça verticalment un punt del tauler respecte una referència durant l'aplicació d'una càrrega o al llarg del temps.

Mesurament aproximadament vertical

La disposició més senzilla consisteix a instal·lar el sensor sobre una referència estable situada sota l'estructura i orientar el feix cap al punt del tauler la fletxa del qual es vol mesurar.

Si la direcció del làser coincideix pràcticament amb la direcció del moviment, la variació de distància mesurada pot relacionar-se directament amb el desplaçament del tauler.

Aquesta configuració pot resultar especialment interessant a proves de càrrega de ponts, perquè permet realitzar el mesurament sense fixar físicament un transductor al tauler.

Mesura mitjançant una visual obliqua

No sempre és possible col·locar el sensor exactament sota el punt dinterès. A moltes estructures l'accés, el trànsit, una llera, una via ferroviària o la pròpia geometria del pont obliguen a mesurar mitjançant una visual inclinada.

En un esquema simplificat, si x representa la separació horitzontal, z la separació vertical i L la distància mesurada pel sensor:

L² = x² + z²

Si només canvia la component vertical i la component horitzontal roman constant, per a petits desplaçaments es pot aproximar:

Δz ≈ ΔL / sin θ

on θ és l'angle de la visual respecte de l'horitzontal.

Aquesta geometria és important: una visual gairebé horitzontal té poca sensibilitat davant d'un moviment vertical. A més, si es mouen simultàniament el punt de mesura i la referència, una única distància no permet separar els dos components.

Per això, abans de seleccionar el sensor s'ha de definir quin moviment es vol mesurar, en quina direcció es produeix i quins elements es poden desplaçar.

Proves de càrrega de ponts: alternativa sense contacte a un LVDT

Les proves de càrrega de ponts permeten comparar el comportament real de lestructura amb el previst pel model de càlcul. Una de les magnituds que es poden registrar és la fletxa produïda quan circulen o es posicionen càrregues conegudes sobre el tauler.

Tradicionalment es poden utilitzar transductors de desplaçament com LVDT instal·lats sobre estructures, trípodes, bastides o referències situades sota el pont. En determinats emplaçaments aquesta instal·lació pot resultar complicada, especialment sobre línies ferroviàries, carreteres, lleres o zones de difícil accés.

Una solució alternativa consisteix a utilitzar sensors làser de distància instal·lats des d'una referència situada fora de l'estructura.

Cas documentat: prova de càrrega sobre una línia ferroviària

En una prova feta en col·laboració amb l'enginyeria AECOM sobre un pont situat sobre línies ferroviàries de rodalies a Nova Anglaterra, es van utilitzar quatre sensors làser Dimetix per mesurar la deflexió de diferents punts del tauler.

L'estructura presentava deteriorament i prèviament se n'havia reduït el límit de càrrega. L'objectiu de l'assaig era determinar-ne el comportament real i contrastar-lo amb el model estructural.

Per evitar la instal·lació convencional de LVDT sobre trípodes i estructures auxiliars, es van emprar quatre sensors Dimetix DAN-10-150. Cada sensor es va instal·lar sobre un suport independent fixat al balast sota el pont i es va orientar cap a un punt determinat de lestructura.

Els sensors es van connectar a mòduls dinterfície i al sistema dadquisició utilitzat durant lassaig. Els quatre senyals de deflexió es van registrar en temps real mentre es feien diferents passades amb vehicles carregats.

Les càrregues es van incrementar progressivament i es van registrar les corresponents corbes de fletxa. Les mesures van mostrar un comportament repetible i van tornar a la posició inicial després de retirar la càrrega.

Els resultats de desplaçament i deformació obtinguts durant la prova van ser coherents amb el model previst per AECOM. L'assaig va permetre reavaluar el comportament de l'estructura i augmentar-ne posteriorment la classificació de càrrega.

Aquest exemple demostra un avantatge important del mesurament òptic: la instrumentació es pot situar fora de l'element estructural que s'està assajant, reduint la necessitat dinstal·lar sensors de contacte directament sobre el tauler.

Cas real 1: monitorització del Huey P. Long Bridge durant l'hissat

Un dels projectes més representatius de monitorització de ponts amb sensors Dimetix es va realitzar durant l'ampliació del Huey P. Long Bridge sobre el riu Mississippi, a Nova Orleans.

El projecte incloïa dues enormes seccions de gelosia d'acer construïdes inicialment a terra. Cada secció tenia aproximadament 528 peus de longitud, uns 161 metres, i un pes proper a 2.700 tones.

Les estructures van ser transportades sobre barcasses fins al pont i posteriorment elevades aproximadament 130 peus, prop de 40 metres, fins a la seva posició definitiva.

El problema: controlar la deformació durant una maniobra crítica

Durant el transport, l'hissat i el posicionament existia el risc que una estructura d'aquestes dimensions experimentés deformacions fora del pla, esforços excessius o fins i tot fenòmens de vinclament.

L'enginyeria responsable necessitava conèixer en temps real com estava canviant la geometria de les gelosies per poder actuar durant la maniobra.

Deu sensors làser treballant simultàniament

Es van utilitzar un total de 10 sensors làser de distància Dimetix, cinc instal·lats a cada gelosia. Els equips històrics utilitzats en aquest projecte pertanyien a la generació anterior DLS-C.

Cada conjunt de cinc sensors permetia controlar diferents punts i observar les deformacions fora del pla de lestructura.

Els sensors estaven connectats mitjançant cable a un registrador de dades. La informació s'enviava a un ordinador situat sota el tauler, on els responsables del projecte podien visualitzar gràficament la inclinació i la deformació de les estructures.

El sistema actualitzava la informació aproximadament cada cinc segons.

Correccions durant el propi hissat

La informació no es feia servir únicament com a registre posterior. Els enginyers podien observar l'evolució de l'estructura durant l'operació i fer correccions sobre la marxa en la posició de la gelosia sense aturar el procés.

La monitorització va continuar a més durant el desplaçament lateral final de les estructures fins a la seva posició sobre els suports, una fase considerada igualment crítica.

Conclusió tècnica: aquest cas mostra perquè en grans estructures pot ser més útil monitoritzar diversos punts simultàniament que una única distància. La comparació de múltiples sensors permet observar canvis de geometria que un sol punt de mesura no podria identificar.

Cas real 2: monitorització de l'A23 de Viena durant la reconstrucció

Un altre exemple d'aplicació correspon a la autopista A23 de Viena, una infraestructura amb una elevada intensitat de trànsit.

El projecte afectava dos ponts pertanyents a un tram construït originalment al voltant de 1970. Durant la remodelació de l'A23 les estructures existents s'havien de desmuntar i reconstruir.

La documentació del projecte indica una intensitat aproximada de 180.000 vehicles diaris.

Controlar els moviments durant l'obra

Una de les preocupacions durant la intervenció era la possibilitat que els elements verticals o els suports experimentessin desplaçaments a causa de les modificacions realitzades sobre l'estructura.

Es van instal·lar sensors làser Dimetix orientats cap a objectius de mesura per controlar l´estabilitat mentre avançaven les fases d´obra.

Durant operacions especialment crítiques, com ara el tall de parts de l'estructura existent, les distàncies podien registrar-se contínuament per identificar moviments o canvis geomètrics des de les primeres fases.

Una aplicació especialment interessant per a rehabilitació de ponts

En feines de rehabilitació pot resultar molt difícil preveure exactament com respondrà una estructura existent quan es retiren paviments, elements resistents, suports provisionals o parts del tauler.

La monitorització permet relacionar els canvis observats amb moments concrets de l'obra:

• tall o demolició d'elements;
• retirada de material;
• entrada de maquinària pesada;
• canvis de suport;
• tesat o destensat;
• col·locació de nous elements;
• variacions tèrmiques;
• canvis de trànsit o càrrega.

Per aquesta raó, en una auscultació durant obres no n'hi ha prou amb emmagatzemar una sèrie de distàncies. És recomanable registrar també la data i l'hora dels principals esdeveniments d'obra per poder relacionar-los posteriorment amb l'evolució estructural.

Cas real 3: més de 100 metres entre un piló i el tauler d'un pont a Tailàndia

La possibilitat de treballar a llarga distància permet utilitzar sensors làser en geometries que serien difícils dinstrumentar mitjançant transductors de contacte.

En un pont sobre el riu Chao Phraya, a Tailàndia, es va instal·lar un sensor Dimetix a la part superior d'un piló i es va orientar cap a una làmina reflectora situada aproximadament al centre del pont.

La separació entre els pilons era d'aproximadament 200 metres i la distància mesurada pel sensor superava els 100 metres.

Mesurament mil·limètric a llarga distància

L'aplicació documenta una exactitud de mesura de ±1 mm i una repetibilitat de ±0,3 mm.

En aquest tipus d'instal·lació, l'ús d'una làmina reflectora permet augmentar de manera important la distància útil i disposar d'un objectiu òptic clarament definit.

Però hi ha un altre paràmetre que cal considerar: la mida del punt làser augmenta amb la distància.

Als sensors Dimetix d'aquesta família, l'espot declarat a 100 metres és aproximadament de 55 × 30 mm. El reflector s'ha de dimensionar tenint en compte no només la mida del feix, sinó també:

• el moviment previst del tauler;
• el possible moviment transversal;
• les toleràncies d'alineació;
• l'expansió tèrmica de l'estructura;
• les vibracions;
• els moviments del propi piló;
• el marge necessari per evitar perdre lobjectiu.

Mesurar distància no vol dir mesurar directament fletxa vertical

Aquest exemple és especialment útil per entendre la geometria duna monitorització.

El sensor mesura la distància relativa entre el piló i el punt del tauler. Si tots dos elements es poden moure i la visual és obliqua, qualsevol variació registrada pot contenir diferents components del moviment.

Per tant, la interpretació de les dades s'ha de fer d'acord amb el model geomètric del pont. Si cal separar diferents components, es poden requerir sensors addicionals o altres tècniques d'instrumentació.

Quin sensor Dimetix es pot utilitzar actualment?

Els projectes històrics poden fer servir models Dimetix de generacions anteriors. Per a una instal·lació nova cal seleccionar el sensor actual en funció de la distància, objectiu, velocitat, precisió requerida, comunicacions i condicions ambientals.

Per a aplicacions de llarg abast, un dels models que es pot valorar és el Dimetix DPE-10-500.

La freqüència de sortida i la freqüència de mesura són conceptes diferents: disposar d'una sortida de fins a 1 kHz no vol dir obtenir 1.000 nous mesuraments independents per segon. Al DPE-10-500 la freqüència màxima de mesura declarada és de 250 Hz.

Per a distàncies inferiors o projectes amb altres requisits econòmics i tècnics existeixen diferents versions dins de la gamma de sensors làser de distància.

Com dissenyar una instal·lació de monitorització làser en un pont

1. Definir exactament què es vol mesurar

Abans de seleccionar un sensor cal establir la magnitud que es pretén controlar:

• fletxa vertical;
• moviment longitudinal;
• moviment transversal;
• desplaçament duna pila;
• moviment relatiu entre dos elements;
• deformació durant una maniobra;
• resposta durant una prova de càrrega.

2. Triar una referència estable

Un sensor mesura la distància entre dos punts. Si es desplaça el suport del sensor, el sistema pot interpretar aquest moviment com si pertanyés al pont.

L'estabilitat de la referència és, per tant, tan important com la precisió del propi sensor.

3. Analitzar la geometria

La direcció del feix ha de ser compatible amb la component de moviment que es vol observar.

Una visual vertical pot simplificar un mesurament de fletxa. Una visual obliqua pot ser perfectament vàlida, però necessita una transformació geomètrica i conèixer quins altres components poden variar.

4. Seleccionar superfície natural o reflector

A distàncies moderades pot ser possible mesurar directament sobre una superfície natural adequada. Quan augmenta la distància o cal disposar d'un objectiu clarament definit, pot ser convenient instal·lar una làmina reflectora compatible.

La mida de lobjectiu ha dincorporar marge suficient per al diàmetre del feix i els moviments previstos.

5. Dissenyar correctament els suports

Els suports han de minimitzar:

• vibracions;
• moviments propis;
• dilatacions tèrmiques no controlades;
• canvis dorientació;
• desalineacions accidentals.

6. Protegir la trajectòria òptica

En exteriors cal considerar pluja, boira, pols, neu, condensació, radiació solar i brutícia.

El grau de protecció IP del sensor protegeix l'equip, però no garanteix per ell mateix que la trajectòria òptica romangui sempre disponible.

Si es col·loca el sensor darrere d'una finestra protectora cal avaluar també el material, la inclinació, les reflexions i el possible embrutament.

7. Registrar també la qualitat de la mesura

En un monitoratge estructural no s'hauria d'emmagatzemar únicament un nombre de distància. Quan l'arquitectura del sistema ho permeti cal registrar:

• valor mesurat;
• data i hora;
• estat vàlid o invàlid de la lectura;
• esdeveniments de comunicació;
• intensitat o qualitat de senyal disponible;
• temperatura;
• esdeveniments rellevants dobra o de càrrega.

8. Establir una línia base

Abans d'interpretar els moviments cal registrar el comportament inicial del sistema i comprovar-ne la repetibilitat.

Una prova funcional amb desplaçaments coneguts ajuda a verificar la relació entre la lectura del sensor i el moviment real esperat.

Sensor làser davant LVDT, estació total, GNSS i inclinòmetre

No hi ha un únic instrument adequat per a totes les aplicacions d'auscultació. Diferents tecnologies poden ser complementàries.

En un sistema de Structural Health Monitoring (SHM) poden combinar diverses tecnologies. Per exemple, un sensor làser pot controlar el desplaçament, un inclinòmetre registrar rotacions i sensors de temperatura ajudar a interpretar moviments d'origen tèrmic.

Avantatges dels sensors làser per a auscultació de ponts

• Mesurament sense contacte: no cal unir mecànicament el sensor al punt mòbil.
• Gran distància de treball: determinats models permeten treballar a desenes o centenars de metres.
• Precisió mil·limètrica: adequada per a nombroses aplicacions de desplaçament estructural.
• Alta freqüència d'adquisició: permet estudiar fenòmens més ràpids que amb sistemes de lectura manual.
• Integració industrial: disponibilitat dinterfícies sèrie, analògiques i xarxes industrials segons model.
• Instal·lació remota: el sensor es pot situar fora de zones de difícil accés.
• Monitorització permanent o temporal: es pot utilitzar tant durant una prova com en instal·lacions de seguiment continu.
• Mesurament multipunt: diversos sensors poden controlar simultàniament diferents posicions duna estructura.

Limitacions que cal considerar

El sensor làser no elimina la necessitat de dissenyar el sistema d'auscultació correctament.

• S'ha de mantenir una línia de visió adequada.
• L'estabilitat del suport forma part de la incertesa total.
• La superfície de lobjectiu influeix en labast.
• Pluja, boira, brutícia o condensació poden afectar la disponibilitat de la mesura.
• Una visual obliqua necessita interpretació geomètrica.
• L'exactitud indicada a la fitxa tècnica del sensor no equival automàticament a la incertesa de tota la instal·lació.
• Els moviments tèrmics de lestructura han de diferenciar-se daltres desplaçaments quan siguin rellevants.

Preguntes freqüents sobre monitorització de ponts amb sensors làser

Un sensor làser pot mesurar directament la fletxa d'un pont?

Sí, sempre que la geometria dinstal·lació permeti relacionar la variació de distància amb el desplaçament vertical del punt observat. Una instal·lació aproximadament vertical simplifica aquesta relació. En una visual obliqua cal aplicar la geometria corresponent.

Es pot fer servir un sensor làser en una prova de càrrega?

Sí. Hi ha aplicacions documentades en què sensors Dimetix han registrat en temps real la deflexió de diferents punts del tauler mentre s'aplicaven càrregues conegudes sobre el pont.

Pot substituir un LVDT?

En determinades aplicacions pot evitar la instal·lació de LVDT, especialment quan es vol mesurar sense contacte o hi ha dificultat per col·locar una referència mecànica propera al punt de mesura. No són tecnologies equivalents en tots els casos i l'elecció s'ha de fer segons la geometria, el recorregut, la precisió i la dinàmica de la prova.

Quina distància es pot mesurar?

Depèn del model i de la superfície. Per exemple, el Dimetix DPE-10-500 declara aproximadament 100 metres sobre superfícies naturals i fins a 500 metres utilitzant làmina reflectora en condicions adequades.

Es pot fer un pont des de més de 100 metres?

Sí. Hi ha una aplicació documentada a Tailàndia on el sensor treballa a més de 100 metres entre un piló i un reflector instal·lat al tauler.

És necessària una làmina reflectora?

No sempre. A distàncies inferiors pot ser possible mesurar directament sobre la superfície de lestructura. Per a llargues distàncies, superfícies problemàtiques o quan es vol disposar d‟un punt de referència òptic ben definit, pot resultar convenient utilitzar un reflector.

La precisió de ±1 mm vol dir que tota la instal·lació té ±1 mm d'incertesa?

No. La incertesa global depèn a més del muntatge, estabilitat de la referència, geometria, objectiu, ambient, adquisició de dades i processament. L'exactitud del sensor només és una part del sistema de mesura.

Es pot instal·lar permanentment en exteriors?

Els models adequats es poden utilitzar en aplicacions exteriors, però cal estudiar la protecció del conjunt i de la trajectòria òptica davant d'aigua, condensació, pols, brutícia i altres factors ambientals.

Es pot utilitzar per controlar piles i suports durant una rehabilitació?

Sí. La monitorització de distàncies entre referències prèviament definides permet detectar desplaçaments relatius durant treballs de demolició, tall, reconstrucció, canvis de suport o altres operacions.

Un únic sensor permet conèixer el moviment a X, Y i Z?

No. Un sensor làser proporciona una distància en la direcció del feix. Per separar diferents components del moviment cal una geometria amb diverses observacions, diversos sensors o instrumentació complementària.

Selecció de la solució per a cada pont

L'elecció del sensor s'ha de fer a partir de l'aplicació i no només de la distància màxima indicada al catàleg.

Per estudiar una instal·lació necessitem conèixer, com a mínim:

• distància aproximada entre sensor i objectiu;
• moviment màxim esperat;
• direcció del desplaçament;
• precisió necessària;
• freqüència de mesura requerida;
• tipus de superfície o objectiu disponible;
• condicions ambientals;
• possibilitats de muntatge;
• tipus de registrador, PLC o sistema dadquisició;
• interfícies de comunicació requerides.

Un croquis senzill indicant el punt on es pot instal·lar el sensor, l'objectiu i la direcció de moviment prevista sol ser suficient per fer una primera avaluació de viabilitat.

Fonts tècniques dels casos descrits

Els exemples reals inclosos en aquesta pàgina s'han elaborat a partir de documentació tècnica publicada sobre instal·lacions reals:

• Dimetix Application Example AE-0510: monitorització estructural durant el transport, hissat i posicionament de les gelosies del Huey P. Long Bridge.
• Dimetix Application Example AE-0703: monitorització de ponts de l'autopista A23 durant treballs de reconstrucció a Viena.
• Dimetix Application Example AE-0704: monitorització a més de 100 metres entre piló i tauler en un pont sobre el riu Chao Phraya, Tailàndia.
• Aplicació documentada per Laser-View Technologies juntament amb AECOM: mesurament de fletxa durant una prova de càrrega utilitzant quatre sensors Dimetix DAN-10-150.

Els models utilitzats en projectes històrics poden correspondre a generacions anteriors. La selecció per a una instal·lació actual s'ha de fer utilitzant les especificacions vigents del model disponible.

Consulta la teva aplicació de monitorització de ponts amb GUEMISA

A GUEMISSA podem ajudar-te a seleccionar el sensor làser Dimetix i estudiar la geometria bàsica de mesura per a aplicacions de auscultació de ponts, mesurament de fletxa, proves de càrrega, desplaçament de piles i suports, rehabilitació d'estructures i Structural Health Monitoring.

Pots consultar la gamma Dimetix disponible a GUEMISA o enviar-nos les dades de la teva aplicació.