CASOS DE USO
Monitorización de pontes con sensores láser: deflexión, deformación e desprazamento

O/A monitorización de pontes con sensores de distancia láser Permite a medición continua e sen contacto de cambios de posición, deflexión, deformación e desprazamentos relativos en táboas, pilotes, soportes, pilóns e outros elementos estruturais.

En aplicacións de inspección da ponte, Para as probas de carga ou a monitorización durante os traballos de rehabilitación, pódese instalar un sensor láser nun punto de referencia estable e medir repetidamente a distancia ata un punto da estrutura. A evolución desta distancia permite a detección de movementos milimétricos e a análise de como responde a ponte ás cargas, ao tráfico, ás operacións de montaxe, aos cambios térmicos ou aos traballos de construción.

A medición é conceptualmente sinxela, pero a súa correcta interpretación require estudar a xeometría da instalación. Un sensor láser mide directamente un distancia; Converter esa distancia nunha frecha vertical, desprazamento horizontal ou deformación estrutural require coñecer a posición do sensor, o obxectivo e as posibles direccións de movemento.

Esta aplicación forma parte da nosa guía sobre monitorización de estruturas, pontes, túneles e pendentes con sensores láser.

Que se pode medir nunha ponte cun sensor láser?

A sensor de distancia láser Mide a distancia entre o instrumento e o punto ou obxectivo sobre o que se dirixe o feixe. Dependendo de como estea deseñada a instalación, esta medición pódese empregar para monitorizar diferentes fenómenos estruturais.

• Frecha ou desviación do panel de control: desprazamento vertical dun ou máis puntos da plataforma cando actúan cargas, tráfico ou vehículos utilizados durante unha proba de carga.
• Desprazamento da pila: control dos movementos con respecto a unha referencia considerada estable.
• Movemento de apoio: seguimento dos cambios relativos entre os elementos da estrutura.
• Movemento entre o pilón e a placa: Medición a longa distancia das variacións xeométricas entre as diferentes partes da ponte.
• Deformación de estruturas metálicas: seguimento multipunto durante o transporte, a elevación, a montaxe ou o posicionamento.
• Comportamento durante a rehabilitación: detección de movementos ao cortar, desmantelar ou modificar elementos dunha estrutura existente.
• Resposta ás cargas: Rexistro de curvas de desprazamento durante probas de carga estáticas ou dinámicas.

Un único sensor proporciona unha distancia escalar. Polo tanto, non mide directamente a tensión mecánica, a capacidade portante nin un desprazamento tridimensional completo. Cando sexa necesario coñecer varios compoñentes do movemento, pódense empregar varios sensores, outras direccións de medición ou instrumentos complementarios.

Medición da deflexión dunha ponte con sensores láser

O/A frecha dunha ponte Esta é unha das aplicacións máis interesantes da medición láser sen contacto. O obxectivo é observar canto se move verticalmente un punto da placa en relación cun punto de referencia durante a aplicación dunha carga ou ao longo do tempo.

Medición vertical aproximada

A disposición máis sinxela consiste en instalar o sensor nun punto de referencia estable situado debaixo da estrutura e dirixir o raio cara ao punto da placa cuxa frecha se quere medir.

Se a dirección do láser coincide practicamente coa dirección do movemento, a variación da distancia medida pode estar directamente relacionada co desprazamento da placa.

Esta configuración pode ser especialmente interesante en probas de carga de ponte, porque permite tomar a medición sen conectar fisicamente un transdutor á placa.

Medición usando unha liña de visión oblicua

Non sempre é posible colocar o sensor directamente debaixo do punto de interese. En moitas estruturas, o acceso, o tráfico, unha vía fluvial, unha liña de ferrocarril ou a propia xeometría da ponte requiren tomar medidas desde unha liña de visión inclinada.

Nun esquema simplificado, se x representa a separación horizontal, z a separación vertical e L distancia medida polo sensor:

L² = x² + z²

Se só cambia a compoñente vertical e a compoñente horizontal permanece constante, para desprazamentos pequenos pódese aproximar do seguinte xeito:

Δz ≈ ΔL / sen θ

onde θ É o ángulo da liña de visión con respecto á horizontal.

Esta xeometría é importante: unha liña de visión case horizontal ten pouca sensibilidade ao movemento vertical. Ademais, se o punto de medición e o punto de referencia se moven simultaneamente, unha soa distancia non é suficiente para separar os dous compoñentes.

Polo tanto, antes de escoller o sensor, débese definir que movemento se vai medir, en que dirección se produce e que elementos se poden desprazar.

Probas de carga de ponte: unha alternativa sen contacto a un LVDT

O probas de carga de ponte Permiten a comparación do comportamento real da estrutura co previsto polo modelo de cálculo. Unha das magnitudes que se poden rexistrar é a deflexión producida cando se moven ou posicionan cargas coñecidas sobre a plataforma.

Os transdutores de desprazamento como os LVDT pódense instalar tradicionalmente en estruturas, trípodes, andamiaxe ou puntos de referencia situados debaixo da ponte. Nalgúns lugares, esta instalación pode ser complicada, especialmente sobre liñas de ferrocarril, estradas, vías fluviais ou zonas de difícil acceso.

Unha solución alternativa é usar sensores de distancia láser instalados desde unha referencia situada fóra da estrutura.

Caso documentado: proba de carga nunha liña ferroviaria

Nunha proba realizada en colaboración con enxeñaría AECOM Nunha ponte situada sobre liñas de tren de proximidades en Nova Inglaterra, empregáronse catro sensores láser Dimetix para medir a deflexión de diferentes puntos da plataforma.

A estrutura mostraba signos de deterioración e o seu límite de carga fora reducido previamente. O obxectivo da proba foi determinar o seu comportamento real e comparalo co modelo estrutural.

Para evitar a instalación convencional de LVDT en trípodes e estruturas auxiliares, empregáronse os seguintes materiais: catro sensores Dimetrix DAN-10-150. Cada sensor instalouse nun soporte independente fixado ao lastro baixo a ponte e orientado cara a un punto específico da estrutura.

Os sensores conectáronse a módulos de interface e ao sistema de adquisición empregado durante a proba. Os catro sinais de deflexión rexistráronse en tempo real mentres se realizaban diferentes pasadas con vehículos cargados.

As cargas incrementáronse progresivamente e rexistráronse as curvas de deflexión correspondentes. As medicións mostraron un comportamento repetible e as deflexións volveron á súa posición inicial despois de retirar a carga.

Os resultados de desprazamento e deformación obtidos durante a proba foron consistentes co modelo previsto por AECOM. A proba permitiu unha reavaliación do comportamento da estrutura e un posterior aumento da súa capacidade de carga.

Este exemplo demostra unha vantaxe importante da medición óptica: A instrumentación pode estar situada fóra do elemento estrutural que se está a probar., reducindo a necesidade de instalar sensores de contacto directamente no taboleiro.

Caso real 1: monitorización da ponte Huey P. Long durante o levantamento

Un dos proxectos de monitorización de pontes máis representativos con sensores Dimetix levouse a cabo durante a ampliación do Ponte Huey P. Long sobre o río Mississippi, en Nova Orleáns.

O proxecto incluía dúas enormes seccións de celosía de aceiro construídas inicialmente en terreo. Cada sección medía aproximadamente 152,6 metros de longo, uns 161 metros e un peso próximo ás 2.700 toneladas.

As estruturas foron transportadas en barcazas ata a ponte e posteriormente erguidas aproximadamente 130 pés, uns 40 metros, ata a súa posición final.

O problema: controlar a deformación durante unha manobra crítica

Durante o transporte, a elevación e o posicionamento existía o risco de que unha estrutura destas dimensións experimentase deformacións fóra do plano, tensións excesivas ou mesmo fenómenos de pandeo.

O equipo de enxeñería responsable necesitaba saber en tempo real como estaba a cambiar a xeometría das redes para poder actuar durante a manobra.

Dez sensores láser funcionando simultaneamente

Un total de 10 sensores de distancia láser Dimetix, cinco instalados en cada celosía. O equipamento histórico empregado neste proxecto pertencía á xeración DLS-C anterior.

Cada conxunto de cinco sensores permitiu monitorizar diferentes puntos e observar deformacións fóra do plano da estrutura.

Os sensores estaban conectados por cable a un rexistrador de datos. A información enviábase a un ordenador situado baixo a cuberta, onde os xestores do proxecto podían visualizar graficamente a inclinación e a deformación das estruturas.

O sistema actualizou a información aproximadamente cada cinco segundos.

Correccións durante o propio proceso de elevación

A información non se empregaba unicamente para o rexistro posterior. Os enxeñeiros podían observar a evolución da estrutura durante o funcionamento e facer axustes. correccións sobre a marcha á posición da rede sen deter o proceso.

A monitorización tamén continuou durante o desprazamento lateral final das estruturas á súa posición sobre os soportes, unha fase considerada igualmente crítica.

Conclusión técnica: Este caso demostra por que, en estruturas grandes, a monitorización de varios puntos simultaneamente pode ser máis útil que unha única distancia. A comparación de varios sensores permite observar cambios xeométricos que un único punto de medición non podería identificar.

Caso real 2: monitorización da A23 de Viena durante a súa reconstrución

Outro exemplo de aplicación é a Autoestrada A23 de Viena, unha infraestrutura con alta intensidade de tráfico.

O proxecto afectou a dúas pontes pertencentes a un tramo construído orixinalmente arredor de 1970. Durante a remodelación da A23, as estruturas existentes tiveron que ser desmanteladas e reconstruídas.

A documentación do proxecto indica unha intensidade aproximada de 180.000 vehículos diarios.

Control de movementos durante o traballo

Unha das preocupacións durante a intervención foi a posibilidade de que os elementos ou soportes verticais puidesen experimentar desprazamentos debido ás modificacións realizadas na estrutura.

Foron instalados. Sensores láser Dimetix orientados a obxectivos de medición para controlar a estabilidade a medida que avanzaban as fases de construción.

Durante operacións particularmente críticas, como o corte de partes da estrutura existente, as distancias poderíanse rexistrar continuamente para identificar movementos ou cambios xeométricos desde as súas primeiras etapas.

Unha aplicación particularmente interesante para a rehabilitación de pontes

Nos traballos de rehabilitación pode ser moi difícil predicir exactamente como responderá unha estrutura existente cando se retiren pavimentos, elementos portantes, soportes temporais ou partes da plataforma.

A monitorización permítenos relacionar os cambios observados con momentos específicos da construción:

• corte ou demolición de elementos;
• eliminación de material;
• entrada de maquinaria pesada;
• cambios de apoio;
• axustado ou afrouxado;
• colocación de novos elementos;
• variacións térmicas;
• cambios no tráfico ou na carga.

Por este motivo, nun monitorización durante a construción Non abonda con almacenar unha serie de distancias. É aconsellable rexistrar tamén a data e a hora dos eventos clave da construción para poder vinculalos posteriormente á evolución estrutural.

Caso real 3: Máis de 100 metros entre un pilón e o taboleiro dunha ponte en Tailandia

A capacidade de traballar a longas distancias permite o uso de sensores láser en xeometrías que serían difíciles de instrumentar mediante transdutores de contacto.

Nunha ponte sobre o Río Chao Phraya, en Tailandia, Instalouse un sensor Dimetix enriba dun pilón e orientouse cara a un lámina reflectante situada aproximadamente no centro da ponte.

A separación entre os pilóns era de aproximadamente 200 metros e a distancia medida polo sensor superouse 100 metros.

Medición con precisión milimétrica en longas distancias

A aplicación documenta unha precisión de medición de ±1 mm e unha repetibilidade de ±0,3 mm.

Neste tipo de instalación, o uso dunha lámina reflectante permite un aumento significativo da distancia utilizable e proporciona un obxectivo óptico claramente definido.

Pero hai outro parámetro que debe ser considerado: O tamaño do punto láser aumenta coa distancia.

Nos sensores Dimetix desta familia, o punto declarado a 100 metros é de aproximadamente 55 × 30 mm. O reflector debe dimensionarse tendo en conta non só o tamaño do feixe, senón tamén:

• o movemento previsto do taboleiro;
• o posible movemento transversal;
• tolerancias de aliñamento;
• a expansión térmica da estrutura;
• vibracións;
• os movementos do propio pilón;
• a marxe necesaria para evitar fallar o obxectivo.

Medir a distancia non significa medir directamente a frecha vertical.

Este exemplo é especialmente útil para comprender a xeometría dun sistema de monitorización.

O sensor mide o distancia relativa entre o pilón e o punto do taboleiro. Se ambos os elementos se poden mover e a vista é oblicua, calquera variación rexistrada pode conter diferentes compoñentes do movemento.

Polo tanto, a interpretación dos datos debe realizarse segundo o modelo xeométrico da ponte. Se fose necesario separar diferentes compoñentes, poderían requirirse sensores adicionais ou outras técnicas de instrumentación.

Que sensor Dimetix se pode usar actualmente?

Os proxectos existentes poden utilizar modelos Dimetix de xeracións anteriores. Para novas instalacións, o sensor actual debe seleccionarse en función da distancia, o obxectivo, a velocidade, a precisión requirida, as comunicacións e as condicións ambientais.

Para aplicacións a longo prazo, un dos modelos que se poden considerar é o Dimetrix DPE-10-500.

A frecuencia de saída e a frecuencia de medición son conceptos diferentes: ter unha saída de ata 1 kHz non significa obter 1000 novas medicións independentes por segundo. A frecuencia de medición máxima declarada do DPE-10-500 é de 250 Hz.

Para distancias máis curtas ou proxectos con outros requisitos económicos e técnicos, existen diferentes versións dentro do gama de sensores de distancia láser.

Como deseñar unha instalación de monitorización láser nunha ponte

1. Define exactamente o que queres medir

Antes de escoller un sensor, débese establecer a magnitude que se vai monitorizar:

• frecha vertical;
• movemento lonxitudinal;
• movemento transversal;
• desprazamento da pila;
• movemento relativo entre dous elementos;
• deformación durante unha manobra;
• resposta durante unha proba de carga.

2. Escolle unha referencia estable

Un sensor mide a distancia entre dous puntos. Se se move o soporte do sensor, o sistema pode interpretar ese movemento como pertencente á ponte.

Polo tanto, a estabilidade da referencia é tan importante como a precisión do propio sensor.

3. Analizar a xeometría

A dirección do feixe debe ser compatible co compoñente de movemento que se pretende observar.

Unha vista vertical pode simplificar unha medición de deflexión. Unha vista oblicua pode ser perfectamente válida, pero require unha transformación xeométrica e o coñecemento de que outros compoñentes poden variar.

4. Selecciona unha superficie natural ou un reflector

A distancias moderadas, pode ser posible medir directamente sobre unha superficie natural axeitada. Cando a distancia aumenta ou se precisa un obxectivo claramente definido, pode ser aconsellable instalar unha lámina reflectante compatible.

O tamaño do obxectivo debe incorporar unha marxe suficiente para o diámetro do feixe e os movementos previstos.

5. Deseña os soportes correctamente

Os soportes deberían minimizar:

• vibracións;
• movementos propios;
• expansión térmica incontrolada;
• cambios de orientación;
• desalineamentos accidentais.

6. Protexer a traxectoria óptica

No exterior, débese ter en conta a choiva, a néboa, o po, a neve, a condensación, a radiación solar e a sucidade.

A clasificación IP do sensor protexe o equipo, pero non garante por si soa que o percorrido óptico permanecer sempre dispoñibles.

Se o sensor se coloca detrás dunha xanela protectora, tamén se debe avaliar o material, a inclinación, as reflexións e a posible sucidade.

7. Rexistra tamén a calidade da medición

A monitorización estrutural non só debe almacenar un número de distancia. Cando a arquitectura do sistema o permita, é aconsellable rexistrar:

• valor medido;
• data e hora;
• estado de lectura válido ou inválido;
• eventos de comunicación;
• intensidade ou calidade do sinal dispoñible;
• temperatura;
• eventos relevantes de construción ou carga.

8. Establecer unha liña base

Antes de interpretar os movementos, débese rexistrar o comportamento inicial do sistema e comprobar a súa repetibilidade.

Unha proba funcional con desprazamentos coñecidos axuda a verificar a relación entre a lectura do sensor e o movemento real esperado.

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

Non existe un único instrumento axeitado para todas as aplicacións de auscultación. As diferentes tecnoloxías poden ser complementarias.

Nun sistema de Monitorización da saúde estrutural (SHM) Pódense combinar varias tecnoloxías. Por exemplo, un sensor láser pode monitorizar o desprazamento, un inclinómetro pode rexistrar rotacións e os sensores de temperatura poden axudar a interpretar os movementos baseados na temperatura.

Vantaxes dos sensores láser para a inspección de pontes

• Medición sen contacto: Non é necesario fixar mecanicamente o sensor ao punto móbil.
• Gran distancia de traballo: Certos modelos permiten traballar a decenas ou centos de metros.
• Precisión milimétrica: Adecuado para numerosas aplicacións de desprazamento estrutural.
• Alta frecuencia de adquisición: Permite o estudo de fenómenos máis rápido que cos sistemas de lectura manual.
• Integración industrial: Dispoñibilidade de interfaces de rede serie, analóxicas e industriais dependendo do modelo.
• Instalación remota: O sensor pódese colocar fóra de zonas de difícil acceso.
• Monitorización permanente ou temporal: Pódese usar tanto durante unha proba como en instalacións de monitorización continua.
• Medición multipunto: Varios sensores poden monitorizar simultaneamente diferentes posicións dunha estrutura.

Limitacións que deben considerarse

O sensor láser non elimina a necesidade de deseñar axeitadamente o sistema de auscultación.

• Débese manter unha liña de visión axeitada.
• A estabilidade do soporte forma parte da incerteza xeral.
• A superficie do obxectivo inflúe na distancia.
• A choiva, a néboa, a sucidade ou a condensación poden afectar á dispoñibilidade da medición.
• Unha vista oblicua require unha interpretación xeométrica.
• A precisión indicada na ficha técnica do sensor non equivale automaticamente á incerteza de toda a instalación.
• Os movementos térmicos da estrutura deben diferenciarse doutros desprazamentos cando sexa relevante.

Preguntas frecuentes sobre a monitorización de pontes con sensores láser

Pode un sensor láser medir directamente a deflexión dunha ponte?

Si, sempre que a xeometría da instalación permita relacionar a variación da distancia co desprazamento vertical do punto observado. Unha instalación aproximadamente vertical simplifica esta relación. Nunha vista oblicua, débese aplicar a xeometría correspondente.

Pódese usar un sensor láser nunha proba de carga?

Si. Hai aplicacións documentadas nas que os sensores Dimetix rexistraron en tempo real a deflexión de diferentes puntos da plataforma mentres se aplicaban cargas coñecidas á ponte.

Pode substituír un LVDT?

En determinadas aplicacións, pódese evitar a instalación dun LVDT, especialmente cando se desexa medición sen contacto ou cando é difícil colocar unha referencia mecánica preto do punto de medición. Estas tecnoloxías non son equivalentes en todos os casos e a elección debe facerse segundo a xeometría, a distancia de percorrido, a precisión e a dinámica da proba.

Que distancia se pode medir?

Depende do modelo e da superficie. Por exemplo, o Dimetix DPE-10-500 afirma ter un alcance aproximado de 100 metros en superficies naturais e ata 500 metros usando láminas reflectantes en condicións axeitadas.

Pódese medir unha ponte a máis de 100 metros de distancia?

Si. Existe unha aplicación documentada en Tailandia onde o sensor funciona a unha distancia de máis de 100 metros entre unha torre e un reflector instalado no taboleiro.

É necesaria unha lámina reflectante?

Non sempre. A distancias máis curtas, pode ser posible medir directamente na superficie da estrutura. Para distancias longas, superficies problemáticas ou cando se require un punto de referencia óptico ben definido, pode ser aconsellable usar un reflector.

Unha precisión de ±1 mm significa que toda a instalación ten unha incerteza de ±1 mm?

Non. A incerteza xeral tamén depende da montaxe, a estabilidade da referencia, a xeometría, o obxectivo, o ambiente, a adquisición de datos e o procesamento. A precisión do sensor é só unha parte do sistema de medición.

Pódese instalar permanentemente no exterior?

Pódense empregar modelos axeitados en aplicacións no exterior, pero débese estudar a protección do conxunto e da vía óptica contra a auga, a condensación, o po, a sucidade e outros factores ambientais.

Pódese usar para monitorizar baterías e soportes durante a rehabilitación?

Si. A monitorización das distancias entre referencias predefinidas permite a detección de desprazamentos relativos durante a demolición, o corte, a reconstrución, os cambios de soporte ou outras operacións.

Pode un único sensor determinar o movemento en X, Y e Z?

Non. Un sensor láser proporciona unha medición de distancia na dirección do seu feixe. Para separar diferentes compoñentes do movemento, necesítase unha xeometría con varias observacións, varios sensores ou instrumentación adicional.

Selección da solución para cada ponte

A escolla do sensor debe basearse na aplicación e non unicamente na distancia máxima indicada no catálogo.

Para estudar unha instalación, precisamos saber, como mínimo:

• distancia aproximada entre o sensor e o obxectivo;
• movemento máximo esperado;
• dirección do desprazamento;
• precisión requirida;
• frecuencia de medición requirida;
• tipo de superficie ou obxectivo dispoñible;
• condicións ambientais;
• posibilidades de montaxe;
• tipo de rexistrador, PLC ou sistema de adquisición;
• interfaces de comunicación requiridas.

Un simple bosquexo que indique o punto onde se pode instalar o sensor, o obxectivo e a dirección de movemento prevista adoita ser suficiente para realizar unha avaliación inicial de viabilidade.

Fontes técnicas dos casos descritos

Os exemplos do mundo real incluídos nesta páxina foron compilados a partir de documentación técnica publicada sobre instalacións reais:

• Exemplo de aplicación Dimetix AE-0510: monitorización estrutural durante o transporte, elevación e posicionamento das vigas da ponte Huey P. Long.
• Exemplo de aplicación Dimetix AE-0703: Monitorización das pontes da autoestrada A23 durante os traballos de reconstrución en Viena.
• Exemplo de aplicación Dimetix AE-0704: monitorización a máis de 100 metros entre o pilón e a plataforma dunha ponte sobre o río Chao Phraya, Tailandia.
• Aplicación documentada por Laser-View Technologies en conxunto con AECOM: Medición da deflexión durante unha proba de carga empregando catro sensores Dimetix DAN-10-150.

Os modelos empregados en proxectos históricos poden corresponder a xeracións anteriores. A selección para unha instalación actual debe facerse utilizando as especificacións actuais do modelo dispoñible.

Consulta a túa aplicación de monitorización de pontes con GUEMISA

En GUEMISA Podemos axudarche a escoller o sensor láser Dimetix e estudar a xeometría de medición básica para aplicacións de Inspección de pontes, medición de deflexións, probas de carga, desprazamento de piares e soportes, rehabilitación estrutural e monitorización da saúde estrutural.

Podes comprobar o Gama Dimetix dispoñible en GUEMISA calquera dos dous envíanos os datos da túa solicitude.