Sensores cableados vs. inalámbricos para la monitorización de puentes

La monitorización de puentes es muy diferente de cualquier otro proyecto de monitorización de infraestructuras. Las partidas de coste, las hipótesis de instalación y los modos de fallo utilizados para edificios o obras no se transfieren a un viaducto multi-vano de 200 metros que soporta 40.000 vehículos al día. Entonces, ¿en qué se diferencia la monitorización cableada de la más reciente monitorización inalámbrica y cuál es más fiable para los puentes?

Por qué los puentes son un problema de monitorización diferente

En la mayoría de los proyectos de monitorización, como edificios u obras, un técnico puede llegar a la mayoría de las ubicaciones de los sensores en pocos minutos. En un puente, alcanzar un sensor puede requerir cortes de carril, andamios, equipos de acceso con cuerdas o medios náuticos. Este problema de accesibilidad condiciona cada decisión tecnológica posterior.

Añadamos la dinámica estructural al panorama. Los puentes están sometidos a cargas móviles de tráfico, viento y ciclos térmicos. Su monitorización requiere acelerómetros para el análisis modal, inclinómetros para la desviación angular y vibrómetros para la velocidad de vibración.

El problema del tendido de cables en estructuras en servicio

Imaginemos tender cables de sensores en un puente multi-vano existente. Necesitaríamos bandejas fijadas a lo largo del intradós del tablero, canalizadas a través o alrededor de cada pila, con cajas de conexión en cada punto de unión. En las juntas de dilatación, el recorrido del cable se interrumpe por el movimiento estructural, de modo que se necesitan acoplamientos flexibles o cajas de derivación. Cada penetración a través del hormigón requiere impermeabilización. Cada tramo de cable expuesto requiere canalización resistente a los rayos UV y fijaciones resistentes a la corrosión.

En un puente nuevo, esta infraestructura puede diseñarse desde el principio: conductos de cables preinstalados, cajas de conexión embebidas en las cabezas de las pilas, circuitos integrados. El coste marginal es bajo, pero cualquier avance tecnológico o ajuste de alcance podría seguir requiriendo un recableado significativo en el futuro.

En un puente existente, el cálculo se vuelve mucho más difícil. El tendido de cables requiere acceso al intradós del tablero y a cada pila: andamios o plataformas de inspección bajo puente, cortes de carril, planes de gestión de tráfico aprobados por la autoridad viaria. En el Reino Unido, un corte de carril en un puente de autopista cuesta más de 1.500 GBP al día solo en gestión de tráfico, antes de que comience cualquier trabajo de ingeniería. En Italia, las circulares técnicas de ANAS para trabajos en puentes de la red viaria nacional exigen planes formales de cierre que pueden tardar semanas en aprobarse.

Cada ubicación de sensor adicional significa extender la red de cables. Añadir un inclinómetro a la base de una pila que no estaba en el alcance original significa volver a movilizar los equipos de acceso, tender un nuevo cable hasta el data logger y volver a poner en servicio el sistema. El coste marginal de ampliar una red cableada en un puente en servicio es elevado.

Qué significan los sensores LoRaWAN para la geometría de los puentes

Los puentes son ejemplos perfectos de por qué los sensores inalámbricos se están convirtiendo en el estándar de la monitorización. Utilizan LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), que opera en el espectro sub-GHz sin licencia, diseñado específicamente para la telemetría de sensores a baja tasa de datos y larga distancia. En entornos abiertos o semiabiertos, un único gateway puede recibir datos de sensores situados a varios kilómetros.

La monitorización cableada requiere infraestructura a lo largo de cada metro entre sensor y data logger. LoRaWAN requiere un sensor, una batería y un camino radio despejado hacia un gateway que puede estar a cientos de metros de distancia.

Los puentes son ideales para LoRaWAN. Su geometría es lineal y abierta, con mínima obstrucción entre sensores y gateway. Un gateway montado en el pretil o a nivel de calzada cerca de un estribo puede cubrir típicamente una estructura multi-vano completa sin repetidores intermedios. Las frecuencias radio sub-GHz también penetran el hormigón y difractan alrededor del acero estructural de forma más eficaz que el Wi-Fi o el Zigbee, que operan a frecuencias más altas con longitudes de onda más cortas.

En el puente ferroviario sobre el río Scrivia, una estructura de 7 vanos de aproximadamente 160 metros de longitud, Move Solutions desplegó sensores inalámbricos a lo largo de toda la longitud del puente con cobertura de gateway desde un único punto. Esto fue posible sin canalizaciones entre vanos ni cajas de conexión en las pilas. Los sensores se montaron directamente sobre los elementos estructurales donde la medición era necesaria.

La ubicación de los sensores sigue la lógica estructural, no los recorridos de cables

Los puntos de medición estructuralmente más importantes en un puente son a menudo los más difíciles de alcanzar físicamente. Consideremos estas zonas de monitorización críticas:

Las bases de las pilas requieren monitorización de asentamientos y rotaciones. Muchas pilas se sitúan en cauces o en laderas, lo que hace impracticable el tendido de cables hasta sus cimentaciones sin obras civiles significativas.

El intradós del tablero es donde se miden las deformaciones y la respuesta dinámica. Estas ubicaciones están a 10-30 metros del suelo sin acceso permanente. Tender y mantener cables a lo largo del intradós del tablero requiere despliegues repetidos de equipos de acceso.

Las zonas de apoyo transfieren la carga entre tablero y subestructura. Están empotradas dentro de los estribos o cabezas de pilas, a menudo en espacios confinados donde el tendido de cables añade complejidad sin añadir valor.

Las juntas de dilatación presentan un desafío específico para los sistemas cableados: la junta se mueve. Cualquier cable que cruce una junta de dilatación necesita un acoplamiento flexible que tolere el rango de movimiento sin fallo por fatiga. Este es un modo de fallo conocido en los sistemas de monitorización cableados de puentes.

Los sensores inalámbricos eliminan la restricción de que cada punto de medición deba tener un recorrido físico de cable hasta un data logger. Los únicos requisitos son una superficie de montaje estable y una línea de visión radio adecuada hacia el gateway. En el Puente Vespucci de Florencia (162 metros de longitud total), los sensores se colocaron en posiciones estructuralmente críticas, incluyendo elementos de pilas y zonas del tablero que habrían requerido una infraestructura de cableado desproporcionada para ser alcanzadas con un sistema cableado.

La duración de la batería es una ecuación de accesibilidad

Reemplazar una batería en una pila de puente accesible solo mediante andamio cuesta aproximadamente lo mismo que una jornada de corte de carriles. Esto reformula por completo la cuestión de la duración de la batería.

Los sensores modernos de monitorización estructural no son dispositivos IoT de consumo. Operan con ciclos de trabajo agresivos: adquieren datos a intervalos definidos, transmiten un paquete compacto vía LoRaWAN y luego entran en reposo. Los sensores de Move Solutions están diseñados para un funcionamiento autónomo plurianual. A los intervalos de monitorización típicos para la evaluación del estado estructural, la duración de la batería supera ampliamente los cinco años.

Eso significa un único evento de acceso por sensor a lo largo de la duración típica de una campaña de monitorización. Compárese el coste de esa única sustitución de batería con el coste de la infraestructura permanente de cables, incluyendo la inspección continua y la reparación de cables, conectores y canalizaciones expuestos a la intemperie, los rayos UV y las vibraciones estructurales.

El compromiso es real, sin embargo. Un sensor cableado con alimentación permanente nunca necesita acceso para la batería. Para sensores en ubicaciones permanentemente accesibles (una estación meteorológica en el pretil, una célula de carga en una ménsula de apoyo accesible), la alimentación cableada elimina por completo la variable de la batería. La decisión debe estar guiada por la dificultad de acceso en cada ubicación específica del sensor, no por una preferencia genérica por una tecnología.

Monitorización estática, monitorización dinámica y qué requiere cada una

La monitorización estructural de puentes se divide en dos categorías de datos fundamentalmente diferentes.

La monitorización estática captura cambios lentos: la acumulación de inclinación en las pilas (medida en grados o fracciones de grado a lo largo de semanas y meses), el asentamiento diferencial entre cimentaciones, la deriva lenta del alineamiento. Las tasas de datos son bajas. Una lectura cada 15 minutos o cada hora es suficiente. Esto está ampliamente dentro del ancho de banda de LoRaWAN, y los inclinómetros inalámbricos lo manejan sin compromisos.

La monitorización dinámica captura eventos rápidos: la respuesta vibratoria bajo tráfico, las frecuencias modales de la estructura (las frecuencias naturales a las que el puente resuena), la velocidad pico de partícula durante obras o eventos sísmicos. Estas mediciones ocurren en milisegundos. El sensor necesita un acelerómetro o vibrómetro embarcado que muestree a cientos de hercios. Los sensores de Move Solutions vienen completamente preparados tanto para adquisiciones estáticas como dinámicas.

La adquisición de datos ocurre localmente en el sensor. Captura un evento vibratorio a alta velocidad, lo procesa a bordo (extrayendo valores de pico, RMS o datos espectrales) y transmite un resumen compacto vía LoRaWAN. Las formas de onda brutas pueden almacenarse localmente y descargarse durante los accesos periódicos. Este enfoque de procesamiento en el borde hace que los sensores inalámbricos soporten tanto monitorización estática como dinámica sin superar las restricciones de ancho de banda de la radio de largo alcance.

Nuestra plataforma MyMove ingiere ambos tipos de datos de la misma red de sensores. Su Modal Analysis Tool procesa datos dinámicos para identificar variaciones en las frecuencias naturales, un indicador temprano de degradación estructural. Su Tiltmeter Chains Tool rastrea los cambios angulares acumulativos a través de múltiples sensores en elementos estructurales conectados. Ambas herramientas funcionan con datos procedentes de sensores inalámbricos desplegados por toda la estructura.

La cuestión del portfolio

Un gestor de infraestructuras que administra decenas de puentes, túneles y muros de contención se enfrenta a un problema que el caso de la estructura individual no tiene: la coherencia a través de un portfolio de activos heterogéneo.

La monitorización inalámbrica con un protocolo estandarizado como LoRaWAN permite que los mismos tipos de sensor y la misma plataforma de datos cubran activos estructuralmente diferentes sin rediseñar la infraestructura de cables para cada uno. Un inclinómetro en una pila de puente y un inclinómetro en un muro de contención transmiten el mismo formato de datos al mismo tipo de gateway, visibles en la misma plataforma.

COST Action TU1406, una iniciativa de investigación europea sobre especificaciones de calidad para puentes de carretera, encontró que aproximadamente la mitad del patrimonio de puentes europeo fue construido antes de 1980 y está alcanzando o superando su vida útil de diseño original. Para un gestor de portfolio, eso significa que la mayoría de las estructuras que necesitan monitorización nunca fueron diseñadas con una infraestructura de sensores en mente. La monitorización retrofit a esa escala requiere una tecnología que se adapte a cualquier geometría y condiciones de acceso que cada estructura presente.

Qué viene después

Uno de los cambios que está ocurriendo en el sector de la monitorización es lo que se puede hacer una vez que se obtienen los datos. Herramientas como MyMove permiten monitorizar en tiempo real y configurar análisis automáticos. También se pueden recibir notificaciones cada vez que los datos reportados empiezan a ser alarmantes.

Los datos estructurales continuos procedentes de redes de sensores inalámbricos crean la base para el mantenimiento basado en condiciones: reparar estructuras en función del rendimiento medido en lugar de programas de inspección fijos. La tecnología de sensores está lista. Las plataformas de datos existen. El reto pendiente es institucional: lograr que los propietarios de puentes, los reguladores y los marcos normativos de inspección confíen en los datos de monitorización continua como complemento de la inspección visual.

Ese cambio institucional ya está en marcha en Italia, el Reino Unido y en toda la UE. Las estructuras que se instrumentan ahora generarán el historial que lo convertirá en práctica estándar para la próxima generación de infraestructuras.

‍