El siguiente ensayo se reimprime con permiso de The Conversation, una publicación en línea que cubre las últimas investigaciones.
Cada puente tiene partes que los conductores nunca ven: acero enterrado en concreto, soldaduras escondidas debajo de las vigas y tierra apisonada alrededor de los cimientos debajo de la línea de flotación. Un puente puede verse bien desde la carretera mientras el óxido se esparce por el acero escondido dentro del hormigón. Una pequeña grieta por fatiga puede alargarse. Una inundación puede arrastrar la tierra de un muelle. Para cuando aparecen grietas, concreto suelto o cierres de carriles, es posible que la ventana de reparación más barata ya se haya cerrado.
Cuando se trata de puentes dañados, el problema es nacional. Estados Unidos tiene más de 624.000 puentes de carreteras. Alrededor de 220.000 necesitan reparación o reemplazo importante, y 41.677 están clasificados como pobres, también llamados estructuralmente deficientes. Si bien “deficiente” no significa inseguro, sí significa que al menos un elemento clave del puente recibió una calificación deficiente, lo que indica deterioro o grietas que requerirán una reparación importante.
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Como investigador que estudia fotónica y detección cuántica, trabajo en dispositivos que miden señales débiles u ocultas. Mi laboratorio aplica la física para desarrollar dispositivos, incluidos sensores cuánticos. Sensores avanzados de este tipo podrían algún día ayudar a los ingenieros a identificar dónde mirar para determinar si los daños ocultos en la infraestructura están empeorando. Sin embargo, no pueden reemplazar a los inspectores humanos.
Las inspecciones mantienen los puentes seguros, pero son instantáneas
Las inspecciones federales de puentes, basadas en los Estándares Nacionales de Inspección de Puentes exigidas por el Congreso en 1968, existen porque fallas pasadas demostraron que pequeños defectos pueden amenazar estructuras grandes.
Según las normas federales actuales, muchos puentes deben inspeccionarse en intervalos de, como máximo, 24 meses. Los puentes de mayor riesgo, como los que transportan tráfico interestatal pesado, los que tienen estructuras antiguas o defectos conocidos, o los construidos sobre agua salada, pueden requerir intervalos más cortos. Los puentes de menor riesgo con tráfico más liviano y materiales sólidos pueden calificar para intervalos más largos.
Esas inspecciones siguen siendo esenciales, pero son instantáneas. Un puente puede cambiar durante los meses entre visitas. La corrosión puede extenderse debajo de una plataforma que se ve en buen estado. Una pequeña grieta puede asentarse dentro de una soldadura. Un río puede desplazar la tierra de los cimientos mientras la carretera de arriba parece sin cambios. Los sensores amplían las inspecciones al rastrear estos cambios que se forman entre las verificaciones programadas.
Los daños ocultos pueden crecer silenciosamente
Las tres amenazas ocultas comunes a los puentes son la corrosión, la fatiga y la socavación. La corrosión comienza cuando el agua, el oxígeno y las sales llegan al acero. Una capa de concreto generalmente protege el acero, pero las grietas, la niebla salina y los iones de cloruro del agua de mar o las sales de deshielo pueden romper esa protección. Luego, el óxido se expande, de forma muy parecida al hielo que ensancha una grieta en una acera. Empuja el hormigón hacia afuera y puede hacer que el material se suelte o que las capas se separen.
El daño por fatiga es la versión puente de doblar un clip hacia adelante y hacia atrás. Así como un clip eventualmente se rompe después de doblarlo repetidamente, los componentes de acero de un puente se debilitan y rompen bajo ciclos continuos de tensión. Miles de vehículos pesados pueden provocar pequeñas grietas cerca de soldaduras, conexiones atornilladas o detalles de acero más antiguos.
El daño por socavación es diferente: el agua en movimiento elimina la tierra alrededor de los cimientos del puente. El puente de arriba puede parecer estable, mientras que el soporte de abajo pierde el terreno que necesita.
Esperar cuesta más
Cuanto antes puedan los ingenieros identificar los daños en los puentes viejos, más tiempo y opciones tendrán para repararlos. El puente promedio en Estados Unidos tiene unos 47 años. Muchos puentes están cerca o han superado la vida útil de 50 años para la que fueron diseñados, y alrededor del 45 por ciento ha excedido la vida útil planificada.
Normalmente, es menos costoso conservar puentes en buenas condiciones que aquellos que ya están en malas condiciones. Hacer todas las reparaciones necesarias identificadas en los puentes estadounidenses costaría alrededor de 467 mil millones de dólares.
Los fracasos del pasado muestran por qué los pequeños detalles son importantes. Como ejemplo, el colapso del puente I-35W en Minneapolis en 2007 se debió en parte a placas de refuerzo de tamaño insuficiente (placas de acero que conectan las vigas que se cruzan en el marco estructural de un puente) junto con peso y cargas de construcción adicionales. El colapso mató a 13 personas e hirió a 145.
Los sensores por sí solos no son una cura para tales fallas, pero mejores mediciones pueden ayudar a los ingenieros a notar cuándo están cambiando detalles importantes.
Los sensores ayudan a los ingenieros a mirar, escuchar y escanear
Los sistemas de sensores son más fáciles de categorizar según lo que hacen.
Algunos sensores ven: los drones pueden fotografiar grietas y concreto suelto, las cámaras infrarrojas pueden mostrar patrones de calor vinculados a zonas de cubierta dañadas y LiDAR, abreviatura de detección y alcance de luz, puede construir mapas tridimensionales.
Algunos sensores escuchan: las pruebas ultrasónicas y las sondas de eco de impacto envían ondas sonoras al hormigón o al acero, los sensores de emisión acústica detectan grietas activas y los acelerómetros rastrean cómo vibra un puente.
Algunos sensores escanean debajo de la superficie. Las herramientas de radio especializadas intentan localizar acero oculto, humedad atrapada, bolsas vacías o capas desmoronadas dentro del hormigón. Mientras tanto, instrumentos magnéticos y eléctricos intentan adivinar si el acero enterrado se está oxidando.
El valor de los sensores a menudo proviene de la combinación de métodos. Un robot de inspección del tablero de un puente utiliza un radar subterráneo, herramientas eléctricas que miden la humedad y una cámara estándar para recopilar datos. Luego construye mapas visuales simples que muestran el estado exacto del tablero del puente. La detección por fibra óptica podría ser otra ruta. Los investigadores han demostrado que los cables de telecomunicaciones existentes pueden registrar señales de vibración de puentes.
Los sensores son pruebas, no veredictos
Si bien los instrumentos proporcionan pistas cruciales sobre el estado de una estructura, no dictan automáticamente la solución. Los ingenieros aún necesitan examinar el diseño del puente, el historial de inspecciones, las cargas de tráfico, el clima, la condición del material y la incertidumbre de las mediciones antes de decidir si reparar, restringir el tráfico o cerrar un puente.
Los datos de campo están desordenados. El hormigón húmedo puede desdibujar los resultados del radar. El tráfico, el viento y la temperatura pueden enmascarar los cambios de vibración.
Los mejores sistemas responden a preguntas específicas: ¿Dónde comienza a dividirse la plataforma de concreto en capas horizontales debajo de la superficie? ¿Esta grieta se está ampliando activamente? ¿Un cable de suspensión está perdiendo su resistencia estructural porque sus alambres de acero internos se están oxidando? ¿El agua en rápido movimiento está arrastrando el suelo crítico que sostiene los cimientos submarinos del puente después de una tormenta?
Los sensores cuánticos son una frontera
Los sensores cuánticos pueden ayudar cuando los signos de deterioro estructural son débiles, enterrados o ruidosos. Estos dispositivos utilizan sistemas cuánticos, como átomos o espines de electrones, como sondas altamente sensibles.
Al medir cómo cambian estas propiedades atómicas en respuesta a cambios extremadamente sutiles en la gravedad, el movimiento o los campos magnéticos, los sensores pueden detectar fallas que los instrumentos tradicionales pasan por alto.
Para los puentes, la oportunidad más cercana probablemente sea la inspección magnética. Mi equipo y yo somos coautores de una revisión, que aún no ha sido revisada por pares, sobre magnetómetros cuánticos para la inspección de infraestructuras. Estos sensores identifican señales de respuestas de inducción, fugas de flujo magnético, tensión, corrosión y corrientes operativas.
En términos sencillos, estos sensores pueden ayudar a mapear campos magnéticos débiles cerca de acero, cables o conductores eléctricos. Los cambios o interrupciones en estos campos magnéticos locales pueden revelar óxido oculto, hilos de alambre rotos dentro de un cable de suspensión grueso o puntos de tensión anormales en el acero incluso antes de que se forme una grieta.
La parte difícil no es construir un sensor que establezca récords en un laboratorio silencioso, sino más bien crear un dispositivo que funcione en un puente ruidoso, cerca del tráfico, el clima, el acero y las interferencias eléctricas. Los sensores cuánticos sólo importarán cuando superen a las herramientas clásicas más baratas en condiciones de inspección reales.
El objetivo no es hacer que todos los puentes sean inteligentes. El objetivo es hacer que el daño sea más difícil de ocultar. Los sensores brindan a los ingenieros más formas de ver el interior del concreto, el acero, el suelo y el agua, convirtiendo algunos cierres sorpresa en reparaciones planificadas meses antes.
Es posible que el público nunca note el mejor uso de los sensores de puente. Ése es el punto: la tecnología de infraestructura más segura a menudo funciona antes de que un problema se haga visible desde la carretera.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.