Publicada el 5 de Mayo de 2011

Estructuras inteligentes

Cuando los especialistas hablamos de infraestructuras inteligentes, el gran público en seguida piensa en autopistas del siglo XXII en el que los coches son guiados automáticamente a su destino sin intervención del conductor por pistas muy peraltadas que permiten que esos coches circulen a alta velocidad como los nuevos ferrocarriles. Y probablemente esas autopistas de alta velocidad efectivamente llegarán a ser una realidad dentro de algunos años.
Infraestructuras inteligentes también nos sugiere los controles de peaje generalizados vía GPS. Más de una Administración está pensando generalizar el pago por peaje a todos los automóviles de manera que se pague según el recorrido que dicho vehículo haya hecho durante el mes. Así el pago de las infraestructuras municipales, autonómicas o estatales, se convertiría en un impuesto directamente aplicado al consumidor.

Pero yo de lo que quiero hablar aquí es de Estructuras Inteligentes. Las Estructuras son una parte de las Infraestructuras. Los Puentes y Viaductos que encontramos en nuestras carreteras, las Estructuras que forman el esqueleto de nuestros edificios, etc.

Hasta bien entrado el siglo XVIII los puentes eran pequeños arcos de piedra o de ladrillo. A partir de la revolución industrial, a finales de ese siglo aparecen los puentes de fundición, luego de hierro y finalmente de acero. Los puentes de hormigón tendrán que esperar aún unos años, ya en el Siglo XIX aparecen los primeros arcos de hormigón en masa y después de hormigón armado. La evolución de los puentes tiene un punto muy significativo para lo que aquí se trata: La aparición del hormigón pretensado inventado por Eugene Freyssinet en el primer tercio del siglo XX y que verá su desarrollo más importante a partir de la Segunda Guerra Mundial con la reconstrucción de todos los puentes destruidos durante la contienda.

Los puentes de hormigón pretensado consisten en dejar dentro del hormigón unos cables de acero muy potentes que cuando se ponen en tensión producen en el puente un estado de fuerzas precisamente contrario al que va a tener por las cargas a las que va a estar sometido. Así por ejemplo el caso de puente más sencillo, como es una viga de un vano que bajo las cargas tendera a deformarse hacia abajo, con los cables del pretensado la deformamos primero hacia arriba, de modo que cuando lleguen las cargas ambas deformaciones hacia arriba y hacia abajo se compensen. Hasta ahora esto se ha hecho de forma digamos “estática”, es decir la deformación previa que introduce el pretensado es única para todas las cargas que va a tener el puente.

En la bibliografía cuando se habla de estructuras inteligentes se relaciona sobre todo con materiales inteligentes de los que hablaremos otro día. Hoy lo que quiero sugerir es la posibilidad de un pretensado “dinámico” un pretensado que varié la fuerza que ejerce sobre el puente en función de la carga que le solicita. Imaginemos un puente de una sola viga para ferrocarril. Antes de que pase el tren, el pretensado estaría compensando el peso propio del puente más el peso del balasto y la vía. Cuando llega el tren, unos sensores detectan como va aumentando la carga a medida que el tren entra en el puente y unos actuadores informatizados estiran de los cables para aumentar la fuerza que hacen sobre el puente hasta compensar la carga del tren. Al salir el tren la carga disminuye y los sensores y los actuadores actúan al revés disminuyendo la fuerza de los cables de pretensado sobre el puente.

Este ejemplo tan sencillo lo podemos ir complicando tanto como queramos. Se trataría solo de elegir estructuras más complicadas. Por ejemplo, imaginemos un puente atirantado con sus torres y sus cables para sujetar esos grandes vanos de hasta un kilometro sobre el vacio. Las torres tienen vientos a tierra para sujetarlas. Las fuerzas sobre esos vientos son mayores al paso de las cargas y las torres se deforman. Para impedirlo se podrían colocar vientos activos que se tensaran por medio de gatos al paso de las cargas.

Hoy día la tecnología ya permite plantear este tipo de estructuras y de hecho existen estructuras temporales, como las grandes cimbras para puentes, con dispositivos de este tipo. Falta dar el paso a estructuras permanentes. Tal vez hay que esperar aun unos años a acumuladores eléctricos de reserva mejores y a una informática más fiable.

Escrito por Santiago Pérez-Fadón Martínez el 5 de Mayo de 2011 con las etiquetas: automóviles autopistas carreteras ferrocarriles infraestructuras inteligentes Puentes viaductos

Ya hay 11 comentarios

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hace 7 años

Hola Don Santiago; Bogotá necesita un renovación sobre lo que tiene en su infraestructura vial. Creo que debemos apuntar a un mejor aprovechamiento aéreo de las avenidas que ya tenemos. ¿Como le pondría usted tres pisos de vías a la autopista NQS?. Ya tiene transmilenio.

hace 8 años

Estimado Santiago,

Gracias por el artículo.

Estas nuevas estructuras intelientes, de valor añadido muy superior, con un coste adicional. Qué protección recomendarias para la impermeabilización de la misma? Que sistema aplicarias para amortizar y alargar incluso más la longevidad del puente y reducir los costes de mantenimiento?

Gracias

hace 8 años

En realidad, una estructura como la que describo, no necesita precauciones de impermeabilidad especiales. Los cables pueden estar en el interior y los actuadores y gatos tambien. Los ordenadores podrian estar a distancia. De manera que todo estaria protegido de la intemperie.

hace 8 años

El artículo me parece muy interesante y sugestivo.
En mi opinión, las “estructuras inteligentes” se justifican si se mejoran las prestaciones desde el punto de vista funcional, económico o ambiental, dentro de unas condiciones establecidas de seguridad. En los casos que se citan antes de hablar del “pretensado dinámico” se adivina claramente algunas de estas mejoras:
Con los coches guiados automáticamente se podría conseguir una mejora funcional: mayor velocidad de circulación y menor tiempo empleado en desplazamientos, por lo tanto menor coste de transporte y mayor seguridad vial si el sistema se gestiona eficazmente.
En el caso de peajes GPS se gestiona el cobro sin interferir en la circulación, lo que implica también una mejora funcional y económica al eliminar las interrupciones del peaje tradicional y los impagos.
En muchos campos de la ingeniería civil se utilizan elementos que en mi opinión podrían denominarse “inteligentes”, como por ejemplo las compuertas que abren o cierran el porcentaje preciso mediante elementos que actúan en base a la información que transmiten sensores que detectan niveles y caudales.
El sentido que veo a estos casos y otros que podrían plantearse es que en todos ellos se alcanza una mejora funcional, económica, de seguridad o ambiental.
En el caso de los puentes pienso en algunos elementos que podrían denominarse “inteligentes”, como por ejemplo rótulas que giran en función de las cargas, o deflectores en los bordes de tablero que podrían moverse para configurar una geometría más aerodinámica cuando reciben información de la velocidad y dirección del viento a través de sensores.
El “pretensado dinámico” creo que podría abrir un campo de interés en estructuras en las que al variar las tensiones en los cables se mejore o varíe la funcionalidad y comportamiento estructural, como por ejemplo grandes cubiertas, puentes levadizos que abren cuando reciben aviso de proximidad de barcos a través de sensores, puentes especiales que precisen adaptar su geometría a las acciones, etc.
En el caso concreto de puentes convencionales o atirantados me pregunto si el “pretensado dinámico” aporta realmente alguna ventaja funcional, económica o de seguridad. En efecto, creo que si la geometría no varía al variar las tensiones en los cables la funcionalidad del puente es la misma; tampoco parece que la variabilidad de tensión puede aligerar la estructura o mejorar sus prestaciones, dado que la armadura activa está condicionada por el estado de cargas más desfavorable. Por otra parte parece que la estructura con pretensado dinámico podría ser más cara al incluir sensores que requieren mantenimiento, incluso quizás menos segura al ser más compleja y depender su funcionamiento de elementos ajenos a la propia estructura.
En cualquier caso y en resumen, me parece un asunto de interés y sobre el que merece la pena pensar.

hace 8 años

Aun a riesgo de parecer demasiado visionario y decir tonterias, en el caso de los puentes de carreteras o autopistas se puede pensar no solamente en estructuras inteligentes que se preparen, como se describe en el articulo, a la recepcion de cargas variable mediante ajustes internos. Aunque las cargas permanentes (el propio peso del puente en si) son las principales, un dia puede ser realidad el que las propias cargas debidas a los vehiculos puedan ser “inteligentes” y organizar la distribucion de vehiculos para trabajar con la estructura optimizando su respuesta. Hoy en dia mucha investigacion basica se dirige a la interaccion vehiculo-infraestructura (VII ,o vehicle-infrastructure-interaction, que es precisamente lo que se describe en el articulo, segun lo cual el vehiculo se comunica con la via o el puente) e interaccion vehiculo-vehiculo (cuando estos se comunican entre si). Lo segundo permite el “platooning” (el “peloton”), es decir la circulacion de vehiculos en grupos organizados a distancias dadas. Actualmente los puentes se proyectan con la idea de las “lineas de influencia”, es decir simplificadamente calcular el puente para una colocacion de cargas variables (los vehiculos) en la configuracion peor posible; por el contrario si los vehiculos son “inteligentes” y se comunican entre si, podrian circular de forma que no coincidan en las configuraciones mas criticas de cargas. Para implementar todo esto, como el pretensado “inteligente” que se describe en el articulo, es necesaria una gran confianza en la tecnologia, y que esta se expanda a otros campos mas tradicionales de la actividad humana, pero curiosamente es la misma confianza que demostramos cuando nos subimos confiadamente en un avion.

hace 8 años

Una variante de lo que propones es utilizar los cables de pretensado o tirantes inteligentes para compensar las deformaciones o esfuerzos debidos al paso del tiempo. El hormigón se deforma con el tiempo llegando a triplicar la deformación inicial. Esa deformación inicial se compensa durante la construcción pero el resto se produce sin poder evitarse (fenómeno de fluencia). Las fuerzas internas del puente también van cambiando con el tiempo. Un sistema inteligente que compensara este efecto tendría la ventaja de actuar de forma lenta y por tanto fácilmente controlable.
Otra variante es la colocación de sensores en los puentes para monitorizar y gestionar su mantenimiento. Se ha desarrollado recientemente equipos muy pequeños y baratos (100 a 200 $ por unidad) que toman datos del puente y no necesitan cableado pues transmiten por wifi, solo transmiten datos cuando detectan algun problema. Tampoco necesitarían una red wifi fija porque esos datos los puede recoger un vehículo que establezca una red cuando pase sobre el puente. De momento funcionan con una batería pero parece que los están desarrollando con un pequeño panel solar. Aquí tenéis un par de referencias del Jindo Bridge donde se han colocado más de 600 sensores de este tipo.
http://downloads.bbc.co.uk/podcasts/worldservice/digitalp/rss.xml
http://www.chinadaily.com.cn/cndy/2011-03/27/content_12232227.htm

hace 8 años

En mi opinion es imprescindible el plantear iniciativas y retos que contribuyan a innovar en los procesos y diseños convencionalemente utilizados, ya que suponen un hecho difereciador frente al resto de nuestros competidores y aporta un importante valor añadido en la actividad que desarrollamos. Este blog es un buen canal para que el gran conocimiento y experiencia que reside dentro de las personas que forman esta empresa pueda comunicarse de una forma sencilla, rápida y de ámbito general, de forma que artículos como el de Santiago sean “la chispa que enciende la mecha” de futuros proyectos que en un corto (o medio) plazo se conviertan en realidad.

hace 8 años

En el mundo competitivo y globalizado que vivimos, con la actual crisis económica, la innovación es un arma fundamental de diferenciación con los competidores. Es imprescindible posicionarse en el conocimiento, desarrollo e implementación de las últimas tecnologías en aplicaciones que, hace unos años, nos parecían imposibles. Valores al alza como la protección medioambiental y el aumento de la seguridad vial de los usuarios de las infraestructuras nos abren un abanico muy importante de posibles soluciones técnicas innovadoras que debemos fomentar y apoyar dentro de nuestra organización. Mis felicitaciones por la idea de la creación de este blog como instrumento de divulgación de ideas que permitirán a Ferrovial seguir siendo un líder en infraestructuras… por supuesto inteligentes.

hace 8 años

Me gusta.
Esto podría ser extensible a infraestructuras sobre ríos, que de algún modo pudieran acortar sus luces en épocas de estiaje para descargar los tableros y aumentarlos en avenidas para que pasara el agua sin obstrucción alguna. 🙂

hace 8 años

Más allá de la tecnología concreta del pretensado “dinámico” la lectura de este blog destila una intención que me gusta: ver la innovación como una actitud que debe surgir en nuestra organización, como un comportamiento que sin metodología determinada “a priori” busca permanentemente identificar oportunidades y mejoras en cualquiera de los campos en los que se desarrolla nuestro trabajo. Y las nuevas herramientas de la información no cabe duda que favorecerán la diseminación de esta actitud a todos los ámbitos de la empresa. ¡Perdamos el miedo a someter nuestras ideas al escrutinio de nuestros colegas!

hace 8 años

Santiago
Sin entender nada de puentes, me parece muy interesante el tema y encaja perfectamente en proyectos de investigación/inovación que se estan proponiendo sobre la sensorización de autopistas u otras infraestructuras, y que pretenden ser proyectos embrionarios de lo que seran las smart roads.

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