Los sensores inalámbricos abren nuevas posibilidades para el monitoreo de puentes

Investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Drexel han desarrollado un sistema de sensor inalámbrico alimentado por energía solar que puede monitorear continuamente la deformación del puente y podría usarse para alertar a las autoridades cuando el rendimiento del puente se deteriora significativamente. Con más de 46,000 puentes en todo el país considerados en malas condiciones, según la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles, un sistema como este podría ser tanto una medida de seguridad importante como ayudar a clasificar los esfuerzos de reparación y mantenimiento.

El sistema, que mide la deformación del puente y funciona continuamente con energía fotovoltaica, se presentó en una edición reciente del IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics en un artículo escrito por los investigadores de Drexel College of Engineering, Ivan Bartoli, PhD, Mustafa Furkan. , PhD, Fei Lu, PhD y Yao Wang, estudiante de doctorado en el Colegio.

"Con tanta infraestructura obsoleta como la que hay en los EE. UU., necesitamos una manera de vigilar de cerca estos activos críticos las 24 horas del día, los 7 días de la semana", dijo Bartoli, quien dirige la Alianza de Infraestructura Inteligente en la Facultad de Ingeniería. "Esta es una necesidad urgente, no solo para evitar fallas calamitosas y, a menudo, trágicas, sino para comprender qué puentes deben tener prioridad para el mantenimiento y el reemplazo, de modo que podamos abordar de manera eficiente y sostenible la preservación y mejora de nuestra infraestructura".

Más del 40% de los 617.000 puentes de Estados Unidos tienen más de 50 años. Si bien están construidos para durar, también deben inspeccionarse regularmente, cada dos años, según Bartoli, quien es profesor en el Departamento de Ingeniería Civil, Arquitectónica y Ambiental de la Facultad. La práctica actual es hacer una inspección visual y, en casos raros, monitorear solo los puentes considerados "estructuras problemáticas", dijo.

Pero la cantidad de puentes que requieren atención está creciendo, según el "Boletín de calificaciones para la infraestructura de Estados Unidos" de la ASCE. Un sistema como el de Drexel podría ayudar a las agencias federales ya los inspectores a aceptar el desafío y reducir la necesidad general de inspecciones a medida que se construyen nuevos puentes.

Su sensor de desplazamiento inalámbrico consiste en una celda solar fotovoltaica, un dispositivo de medición de deformación, llamado potenciómetro de desplazamiento, y un transceptor de interfaz de monitoreo. Los tres están montados en el puente para tomar medidas continuas de su deformación a medida que el tráfico se mueve por él y transmitir esa información a una estación de monitoreo remota.

El potenciómetro de desplazamiento es un dispositivo pequeño, robusto y liviano que se monta en la viga del puente. Mide el desplazamiento, o movimiento de la viga, ya que el puente se deforma temporalmente cuando los vehículos pasan por él. Los cambios en este patrón de deformación pueden ser un indicador temprano de problemas estructurales.

Debido a que el sistema obtiene energía de una celda solar y una batería de respaldo, se pueden montar varios potenciómetros en el puente sin cableado. El sistema puede acomodar varios sensores diferentes que monitorean los movimientos del puente, como la aceleración, la inclinación y el desplazamiento, entre otros. La integración de múltiples tipos de sensores en el sistema podría proporcionar una imagen más completa del estado del puente.

"La principal ventaja de este sistema es eliminar cientos, ya veces miles, de pies de cables que son costosos, pueden dañarse, requieren cuidado durante la instalación y aumentan el costo general del sistema de detección", dijo Bartoli. "La otra ventaja es que con una plataforma inalámbrica, podríamos leer simultáneamente muchos tipos diferentes de sensores, no solo de desplazamiento, sino también de acelerómetros, inclinómetros y galgas extensométricas".

Un equipo de ingenieros eléctricos en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Drexel diseñó la fuente de alimentación para el sistema y la optimizó para resistencia y durabilidad en todos los climas. Incluye una celda fotovoltaica de 21,8 por 35 centímetros y 10 vatios y una batería de iones de litio de gran capacidad de 14,8 voltios para almacenar y distribuir la energía que recolecta. Lo probaron en un laboratorio y al aire libre en pleno invierno en Pensilvania, para asegurarse de que pudiera seguir proporcionando energía durante las condiciones climáticas más adversas.

"Queremos asegurarnos de que los sensores puedan tomar medidas y transmitir datos continuamente durante todo el día, por lo que usamos una batería de gran capacidad para que pueda alimentar el sistema durante la noche o si está nublado durante largos períodos de tiempo", dijo Wang. , quien lideró el desarrollo del sistema de energía. "Se espera que esta configuración proporcione energía ininterrumpida durante años y la batería puede proporcionar energía por sí sola durante tres semanas si está nublado o si la celda solar se ha desactivado".

El equipo espera que probar un conjunto de sensores asequible y fácil de instalar que sea lo suficientemente resistente como para soportar los elementos con poco o ningún mantenimiento durante años permita el monitoreo continuo de muchos puentes, no solo aquellos en malas condiciones. Este nivel de recopilación de datos ayudará a determinar cuál es el comportamiento estructural "normal" de cada puente y generará una alerta cuando ese comportamiento cambie inesperadamente.

"El objetivo es que el sensor dure indefinidamente con una necesidad de mantenimiento mínima o nula", dijo Bartoli. "El monitoreo continuo y confiable garantiza que estas estructuras funcionen según lo previsto. Nos permite capturar datos sobre sobrecargas y la deformación estructural causada por grandes cargas en un puente. También nos permite ver cómo la estructura se deforma debido a factores ambientales, como cambios de viento y temperatura, por lo que podemos asegurar que todas estas deformaciones están dentro del rango esperado.

Si bien el sistema está actualmente listo para su implementación, el equipo planea continuar probándolo y refinándolo en el laboratorio agregando tipos adicionales de sensores y presionando para determinar la vida útil completa de la fuente de alimentación.

Esta investigación fue financiada por la Administración Federal de Carreteras - Programa Aceleración de la Preparación del Mercado (AMR).

Drexel News es producido por University Marketing and Communications.

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