CASOS DE USO
Monitorización de puentes con sensores láser: flecha, deformación y desplazamiento

La monitorización de puentes con sensores láser de distancia permite medir de forma continua y sin contacto cambios de posición, flecha, deformación y desplazamientos relativos en tableros, pilas, apoyos, pilonos y otros elementos estructurales.

En aplicaciones de auscultación de puentes, pruebas de carga o seguimiento durante obras de rehabilitación, un sensor láser puede instalarse sobre una referencia estable y medir repetidamente la distancia hasta un punto de la estructura. La evolución de esa distancia permite detectar movimientos milimétricos y analizar cómo responde el puente ante cargas, tráfico, operaciones de montaje, cambios térmicos o intervenciones de obra.

La medición es conceptualmente sencilla, pero su correcta interpretación exige estudiar la geometría de instalación. Un sensor láser mide directamente una distancia; convertir esa distancia en flecha vertical, desplazamiento horizontal o deformación estructural requiere conocer la posición del sensor, del objetivo y las posibles direcciones de movimiento.

Esta aplicación forma parte de nuestra guía sobre monitorización de estructuras, puentes, túneles y taludes con sensores láser.

¿Qué se puede medir en un puente con un sensor láser?

Un sensor láser de distancia mide la separación entre el instrumento y el punto u objetivo sobre el que incide el haz. Según cómo se diseñe la instalación, esa medida puede utilizarse para controlar diferentes fenómenos estructurales.

• Flecha o deflexión del tablero: desplazamiento vertical de uno o varios puntos del tablero cuando actúan cargas, tráfico o vehículos utilizados durante una prueba de carga.
• Desplazamiento de pilas: control de movimientos respecto a una referencia considerada estable.
• Movimiento de apoyos: seguimiento de cambios relativos entre elementos de la estructura.
• Movimiento entre pilono y tablero: medición a larga distancia de variaciones geométricas entre diferentes partes del puente.
• Deformación de estructuras metálicas: seguimiento de varios puntos durante transporte, izado, montaje o posicionamiento.
• Comportamiento durante una rehabilitación: detección de movimientos mientras se cortan, desmontan o modifican elementos de una estructura existente.
• Respuesta frente a cargas: registro de curvas de desplazamiento durante pruebas de carga estáticas o dinámicas.

Un único sensor proporciona una distancia escalar. Por tanto, no mide directamente tensiones mecánicas, capacidad resistente ni un desplazamiento tridimensional completo. Cuando es necesario conocer varias componentes del movimiento pueden emplearse varios sensores, otras direcciones de medida o instrumentos complementarios.

Medición de la flecha de un puente con sensores láser

La flecha de un puente es una de las aplicaciones más interesantes de la medición láser sin contacto. El objetivo es observar cuánto se desplaza verticalmente un punto del tablero respecto a una referencia durante la aplicación de una carga o a lo largo del tiempo.

Medición aproximadamente vertical

La disposición más sencilla consiste en instalar el sensor sobre una referencia estable situada debajo de la estructura y orientar el haz hacia el punto del tablero cuya flecha se quiere medir.

Si la dirección del láser coincide prácticamente con la dirección del movimiento, la variación de distancia medida puede relacionarse directamente con el desplazamiento del tablero.

Esta configuración puede resultar especialmente interesante en pruebas de carga de puentes, porque permite realizar la medición sin fijar físicamente un transductor al tablero.

Medición mediante una visual oblicua

No siempre es posible colocar el sensor exactamente debajo del punto de interés. En muchas estructuras el acceso, el tráfico, un cauce, una vía ferroviaria o la propia geometría del puente obligan a medir mediante una visual inclinada.

En un esquema simplificado, si x representa la separación horizontal, z la separación vertical y L la distancia medida por el sensor:

L² = x² + z²

Si únicamente cambia la componente vertical y la componente horizontal permanece constante, para pequeños desplazamientos puede aproximarse:

Δz ≈ ΔL / sen θ

donde θ es el ángulo de la visual respecto a la horizontal.

Esta geometría es importante: una visual casi horizontal tiene poca sensibilidad frente a un movimiento vertical. Además, si se mueven simultáneamente el punto de medida y la referencia, una única distancia no permite separar ambas componentes.

Por eso, antes de seleccionar el sensor debe definirse qué movimiento se quiere medir, en qué dirección se produce y qué elementos pueden desplazarse.

Pruebas de carga de puentes: alternativa sin contacto a un LVDT

Las pruebas de carga de puentes permiten comparar el comportamiento real de la estructura con el previsto por el modelo de cálculo. Una de las magnitudes que pueden registrarse es la flecha producida cuando circulan o se posicionan cargas conocidas sobre el tablero.

Tradicionalmente pueden utilizarse transductores de desplazamiento como LVDT instalados sobre estructuras, trípodes, andamios o referencias situadas debajo del puente. En determinados emplazamientos esta instalación puede resultar complicada, especialmente sobre líneas ferroviarias, carreteras, cauces o zonas de difícil acceso.

Una solución alternativa consiste en utilizar sensores láser de distancia instalados desde una referencia situada fuera de la estructura.

Caso documentado: prueba de carga sobre una línea ferroviaria

En una prueba realizada en colaboración con la ingeniería AECOM sobre un puente situado sobre líneas ferroviarias de cercanías en Nueva Inglaterra, se utilizaron cuatro sensores láser Dimetix para medir la deflexión de diferentes puntos del tablero.

La estructura presentaba deterioro y previamente se había reducido su límite de carga. El objetivo del ensayo era determinar su comportamiento real y contrastarlo con el modelo estructural.

Para evitar la instalación convencional de LVDT sobre trípodes y estructuras auxiliares, se emplearon cuatro sensores Dimetix DAN-10-150. Cada sensor se instaló sobre un soporte independiente fijado en el balasto bajo el puente y se orientó hacia un punto determinado de la estructura.

Los sensores se conectaron a módulos de interfaz y al sistema de adquisición utilizado durante el ensayo. Las cuatro señales de deflexión se registraron en tiempo real mientras se realizaban diferentes pasadas con vehículos cargados.

Las cargas se incrementaron progresivamente y se registraron las correspondientes curvas de flecha. Las medidas mostraron un comportamiento repetible y regresaron a su posición inicial después de retirar la carga.

Los resultados de desplazamiento y deformación obtenidos durante la prueba fueron coherentes con el modelo previsto por AECOM. El ensayo permitió reevaluar el comportamiento de la estructura y aumentar posteriormente su clasificación de carga.

Este ejemplo demuestra una ventaja importante de la medición óptica: la instrumentación puede situarse fuera del elemento estructural que se está ensayando, reduciendo la necesidad de instalar sensores de contacto directamente sobre el tablero.

Caso real 1: monitorización del Huey P. Long Bridge durante el izado

Uno de los proyectos más representativos de monitorización de puentes con sensores Dimetix se realizó durante la ampliación del Huey P. Long Bridge sobre el río Mississippi, en Nueva Orleans.

El proyecto incluía dos enormes secciones de celosía de acero construidas inicialmente en tierra. Cada sección tenía aproximadamente 528 pies de longitud, unos 161 metros, y un peso cercano a 2.700 toneladas.

Las estructuras fueron transportadas sobre barcazas hasta el puente y posteriormente elevadas aproximadamente 130 pies, cerca de 40 metros, hasta su posición definitiva.

El problema: controlar la deformación durante una maniobra crítica

Durante el transporte, el izado y el posicionamiento existía el riesgo de que una estructura de estas dimensiones experimentara deformaciones fuera de su plano, esfuerzos excesivos o incluso fenómenos de pandeo.

La ingeniería responsable necesitaba conocer en tiempo real cómo estaba cambiando la geometría de las celosías para poder actuar durante la maniobra.

Diez sensores láser trabajando simultáneamente

Se utilizaron un total de 10 sensores láser de distancia Dimetix, cinco instalados en cada celosía. Los equipos históricos utilizados en este proyecto pertenecían a la anterior generación DLS-C.

Cada conjunto de cinco sensores permitía controlar diferentes puntos y observar las deformaciones fuera del plano de la estructura.

Los sensores estaban conectados mediante cable a un registrador de datos. La información se enviaba a un ordenador situado bajo el tablero, donde los responsables del proyecto podían visualizar gráficamente la inclinación y deformación de las estructuras.

El sistema actualizaba la información aproximadamente cada cinco segundos.

Correcciones durante el propio izado

La información no se utilizaba únicamente como registro posterior. Los ingenieros podían observar la evolución de la estructura durante la operación y realizar correcciones sobre la marcha en la posición de la celosía sin detener el proceso.

La monitorización continuó además durante el desplazamiento lateral final de las estructuras hasta su posición sobre los apoyos, una fase considerada igualmente crítica.

Conclusión técnica: este caso muestra por qué en grandes estructuras puede ser más útil monitorizar varios puntos simultáneamente que una única distancia. La comparación de múltiples sensores permite observar cambios de geometría que un solo punto de medida no podría identificar.

Caso real 2: monitorización de la A23 de Viena durante su reconstrucción

Otro ejemplo de aplicación corresponde a la autopista A23 de Viena, una infraestructura con una elevada intensidad de tráfico.

El proyecto afectaba a dos puentes pertenecientes a un tramo construido originalmente alrededor de 1970. Durante la remodelación de la A23 las estructuras existentes debían desmontarse y reconstruirse.

La documentación del proyecto indica una intensidad aproximada de 180.000 vehículos diarios.

Controlar los movimientos durante la obra

Una de las preocupaciones durante la intervención era la posibilidad de que los elementos verticales o apoyos experimentaran desplazamientos debido a las modificaciones realizadas sobre la estructura.

Se instalaron sensores láser Dimetix orientados hacia objetivos de medida para controlar la estabilidad mientras avanzaban las fases de obra.

Durante operaciones especialmente críticas, como el corte de partes de la estructura existente, las distancias podían registrarse continuamente para identificar movimientos o cambios geométricos desde sus primeras fases.

Una aplicación especialmente interesante para rehabilitación de puentes

En trabajos de rehabilitación puede resultar muy difícil prever exactamente cómo responderá una estructura existente cuando se retiran pavimentos, elementos resistentes, apoyos provisionales o partes del tablero.

La monitorización permite relacionar los cambios observados con momentos concretos de la obra:

• corte o demolición de elementos;
• retirada de material;
• entrada de maquinaria pesada;
• cambios de apoyo;
• tesado o destensado;
• colocación de nuevos elementos;
• variaciones térmicas;
• cambios de tráfico o carga.

Por esta razón, en una auscultación durante obras no basta con almacenar una serie de distancias. Es recomendable registrar también la fecha y hora de los principales eventos de obra para poder relacionarlos posteriormente con la evolución estructural.

Caso real 3: más de 100 metros entre un pilono y el tablero de un puente en Tailandia

La posibilidad de trabajar a larga distancia permite utilizar sensores láser en geometrías que serían difíciles de instrumentar mediante transductores de contacto.

En un puente sobre el río Chao Phraya, en Tailandia, se instaló un sensor Dimetix en la parte superior de un pilono y se orientó hacia una lámina reflectante situada aproximadamente en el centro del puente.

La separación entre los pilonos era de aproximadamente 200 metros y la distancia medida por el sensor superaba los 100 metros.

Medición milimétrica a larga distancia

La aplicación documenta una exactitud de medida de ±1 mm y una repetibilidad de ±0,3 mm.

En este tipo de instalación el uso de una lámina reflectante permite aumentar de forma importante la distancia útil y disponer de un objetivo óptico claramente definido.

Pero hay otro parámetro que debe considerarse: el tamaño del punto láser aumenta con la distancia.

En los sensores Dimetix de esta familia, el spot declarado a 100 metros es aproximadamente de 55 × 30 mm. El reflector debe dimensionarse teniendo en cuenta no solo el tamaño del haz, sino también:

• el movimiento previsto del tablero;
• el posible movimiento transversal;
• las tolerancias de alineación;
• la expansión térmica de la estructura;
• las vibraciones;
• los movimientos del propio pilono;
• el margen necesario para evitar perder el objetivo.

Medir distancia no significa medir directamente flecha vertical

Este ejemplo es especialmente útil para entender la geometría de una monitorización.

El sensor mide la distancia relativa entre el pilono y el punto del tablero. Si ambos elementos pueden moverse y la visual es oblicua, cualquier variación registrada puede contener diferentes componentes del movimiento.

Por tanto, la interpretación de los datos debe realizarse de acuerdo con el modelo geométrico del puente. Si es necesario separar diferentes componentes, pueden requerirse sensores adicionales u otras técnicas de instrumentación.

¿Qué sensor Dimetix puede utilizarse actualmente?

Los proyectos históricos pueden utilizar modelos Dimetix de generaciones anteriores. Para una instalación nueva debe seleccionarse el sensor actual en función de la distancia, objetivo, velocidad, precisión requerida, comunicaciones y condiciones ambientales.

Para aplicaciones de largo alcance, uno de los modelos que puede valorarse es el Dimetix DPE-10-500.

La frecuencia de salida y la frecuencia de medida son conceptos diferentes: disponer de una salida de hasta 1 kHz no significa obtener 1.000 nuevas mediciones independientes por segundo. En el DPE-10-500 la frecuencia máxima de medida declarada es de 250 Hz.

Para distancias inferiores o proyectos con otros requisitos económicos y técnicos existen diferentes versiones dentro de la gama de sensores láser de distancia.

Cómo diseñar una instalación de monitorización láser en un puente

1. Definir exactamente qué se quiere medir

Antes de seleccionar un sensor debe establecerse la magnitud que se pretende controlar:

• flecha vertical;
• movimiento longitudinal;
• movimiento transversal;
• desplazamiento de una pila;
• movimiento relativo entre dos elementos;
• deformación durante una maniobra;
• respuesta durante una prueba de carga.

2. Elegir una referencia estable

Un sensor mide la distancia entre dos puntos. Si se desplaza el soporte del sensor, el sistema puede interpretar ese movimiento como si perteneciera al puente.

La estabilidad de la referencia es por tanto tan importante como la precisión del propio sensor.

3. Analizar la geometría

La dirección del haz debe ser compatible con la componente de movimiento que se pretende observar.

Una visual vertical puede simplificar una medición de flecha. Una visual oblicua puede ser perfectamente válida, pero necesita una transformación geométrica y conocer qué otras componentes pueden variar.

4. Seleccionar superficie natural o reflector

A distancias moderadas puede ser posible medir directamente sobre una superficie natural adecuada. Cuando aumenta la distancia o se necesita disponer de un objetivo claramente definido, puede ser conveniente instalar una lámina reflectante compatible.

El tamaño del objetivo debe incorporar margen suficiente para el diámetro del haz y los movimientos previstos.

5. Diseñar correctamente los soportes

Los soportes deben minimizar:

• vibraciones;
• movimientos propios;
• dilataciones térmicas no controladas;
• cambios de orientación;
• desalineaciones accidentales.

6. Proteger la trayectoria óptica

En exteriores deben considerarse lluvia, niebla, polvo, nieve, condensación, radiación solar y suciedad.

El grado de protección IP del sensor protege el equipo, pero no garantiza por sí mismo que la trayectoria óptica permanezca siempre disponible.

Si se coloca el sensor detrás de una ventana protectora deben evaluarse también el material, la inclinación, las reflexiones y su posible ensuciamiento.

7. Registrar también la calidad de la medida

En una monitorización estructural no debería almacenarse únicamente un número de distancia. Cuando la arquitectura del sistema lo permita conviene registrar:

• valor medido;
• fecha y hora;
• estado válido o inválido de la lectura;
• eventos de comunicación;
• intensidad o calidad de señal disponible;
• temperatura;
• eventos relevantes de obra o de carga.

8. Establecer una línea base

Antes de interpretar los movimientos debe registrarse el comportamiento inicial del sistema y comprobar su repetibilidad.

Una prueba funcional con desplazamientos conocidos ayuda a verificar la relación entre la lectura del sensor y el movimiento real esperado.

Sensor láser frente a LVDT, estación total, GNSS e inclinómetro

No existe un único instrumento adecuado para todas las aplicaciones de auscultación. Diferentes tecnologías pueden ser complementarias.

En un sistema de Structural Health Monitoring (SHM) pueden combinarse varias tecnologías. Por ejemplo, un sensor láser puede controlar desplazamiento, un inclinómetro registrar rotaciones y sensores de temperatura ayudar a interpretar movimientos de origen térmico.

Ventajas de los sensores láser para auscultación de puentes

• Medición sin contacto: no es necesario unir mecánicamente el sensor al punto móvil.
• Gran distancia de trabajo: determinados modelos permiten trabajar a decenas o centenares de metros.
• Precisión milimétrica: adecuada para numerosas aplicaciones de desplazamiento estructural.
• Alta frecuencia de adquisición: permite estudiar fenómenos más rápidos que con sistemas de lectura manual.
• Integración industrial: disponibilidad de interfaces serie, analógicas y redes industriales según modelo.
• Instalación remota: el sensor puede situarse fuera de zonas de difícil acceso.
• Monitorización permanente o temporal: puede utilizarse tanto durante una prueba como en instalaciones de seguimiento continuo.
• Medición multipunto: varios sensores pueden controlar simultáneamente diferentes posiciones de una estructura.

Limitaciones que deben considerarse

El sensor láser no elimina la necesidad de diseñar correctamente el sistema de auscultación.

• Debe mantenerse una línea de visión adecuada.
• La estabilidad del soporte forma parte de la incertidumbre total.
• La superficie del objetivo influye en el alcance.
• Lluvia, niebla, suciedad o condensación pueden afectar la disponibilidad de la medida.
• Una visual oblicua necesita interpretación geométrica.
• La exactitud indicada en la ficha técnica del sensor no equivale automáticamente a la incertidumbre de toda la instalación.
• Los movimientos térmicos de la estructura deben diferenciarse de otros desplazamientos cuando sean relevantes.

Preguntas frecuentes sobre monitorización de puentes con sensores láser

¿Puede un sensor láser medir directamente la flecha de un puente?

Sí, siempre que la geometría de instalación permita relacionar la variación de distancia con el desplazamiento vertical del punto observado. Una instalación aproximadamente vertical simplifica esta relación. En una visual oblicua debe aplicarse la geometría correspondiente.

¿Puede utilizarse un sensor láser en una prueba de carga?

Sí. Existen aplicaciones documentadas en las que sensores Dimetix han registrado en tiempo real la deflexión de diferentes puntos del tablero mientras se aplicaban cargas conocidas sobre el puente.

¿Puede sustituir a un LVDT?

En determinadas aplicaciones puede evitar la instalación de LVDT, especialmente cuando se desea medir sin contacto o existe dificultad para colocar una referencia mecánica próxima al punto de medida. No son tecnologías equivalentes en todos los casos y la elección debe realizarse según la geometría, recorrido, precisión y dinámica de la prueba.

¿Qué distancia puede medirse?

Depende del modelo y de la superficie. Por ejemplo, el Dimetix DPE-10-500 declara aproximadamente 100 metros sobre superficies naturales y hasta 500 metros utilizando lámina reflectante en condiciones adecuadas.

¿Puede medirse un puente desde más de 100 metros?

Sí. Existe una aplicación documentada en Tailandia donde el sensor trabaja a más de 100 metros entre un pilono y un reflector instalado en el tablero.

¿Es necesaria una lámina reflectante?

No siempre. A distancias inferiores puede ser posible medir directamente sobre la superficie de la estructura. Para largas distancias, superficies problemáticas o cuando se quiere disponer de un punto de referencia óptico bien definido, puede resultar conveniente utilizar un reflector.

¿La precisión de ±1 mm significa que toda la instalación tiene ±1 mm de incertidumbre?

No. La incertidumbre global depende además del montaje, estabilidad de la referencia, geometría, objetivo, ambiente, adquisición de datos y procesamiento. La exactitud del sensor es solo una parte del sistema de medida.

¿Puede instalarse permanentemente en exteriores?

Los modelos adecuados pueden utilizarse en aplicaciones exteriores, pero debe estudiarse la protección del conjunto y de la trayectoria óptica frente a agua, condensación, polvo, suciedad y otros factores ambientales.

¿Puede utilizarse para controlar pilas y apoyos durante una rehabilitación?

Sí. La monitorización de distancias entre referencias previamente definidas permite detectar desplazamientos relativos durante trabajos de demolición, corte, reconstrucción, cambios de apoyo u otras operaciones.

¿Un único sensor permite conocer el movimiento en X, Y y Z?

No. Un sensor láser proporciona una distancia en la dirección de su haz. Para separar diferentes componentes del movimiento se necesita una geometría con varias observaciones, varios sensores o instrumentación complementaria.

Selección de la solución para cada puente

La elección del sensor debe realizarse a partir de la aplicación y no únicamente de la distancia máxima indicada en catálogo.

Para estudiar una instalación necesitamos conocer, como mínimo:

• distancia aproximada entre sensor y objetivo;
• movimiento máximo esperado;
• dirección del desplazamiento;
• precisión necesaria;
• frecuencia de medida requerida;
• tipo de superficie u objetivo disponible;
• condiciones ambientales;
• posibilidades de montaje;
• tipo de registrador, PLC o sistema de adquisición;
• interfaces de comunicación requeridas.

Un croquis sencillo indicando el punto donde puede instalarse el sensor, el objetivo y la dirección de movimiento prevista suele ser suficiente para realizar una primera evaluación de viabilidad.

Fuentes técnicas de los casos descritos

Los ejemplos reales incluidos en esta página se han elaborado a partir de documentación técnica publicada sobre instalaciones reales:

• Dimetix Application Example AE-0510: monitorización estructural durante el transporte, izado y posicionamiento de las celosías del Huey P. Long Bridge.
• Dimetix Application Example AE-0703: monitorización de puentes de la autopista A23 durante trabajos de reconstrucción en Viena.
• Dimetix Application Example AE-0704: monitorización a más de 100 metros entre pilono y tablero en un puente sobre el río Chao Phraya, Tailandia.
• Aplicación documentada por Laser-View Technologies junto con AECOM: medición de flecha durante una prueba de carga utilizando cuatro sensores Dimetix DAN-10-150.

Los modelos utilizados en proyectos históricos pueden corresponder a generaciones anteriores. La selección para una instalación actual debe realizarse utilizando las especificaciones vigentes del modelo disponible.

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