La canción del viaducto

No importa el medio de transporte en el que nos estemos desplazando. Bicicleta, coche o tren: en cada caso podemos estar percibiendo múltiples experiencias. Sentimos el viento, contemplamos el paisaje, escuchamos música, desciframos las señales de la carretera, nos sentimos molestos por los ronquidos de nuestro compañero de asiento, pero siempre hay algo que habitualmente pasamos por alto. Algo fundamental para que nuestro viaje transcurra con éxito y que, de conseguir hacerse un hueco en nuestra mente, supone una señal inequívoca de que algo va mal. ¿Qué puede ser tan básico?

Nada más básico que la propia base, el humilde suelo, la plataforma sobre la que discurren nuestros movimientos en medios de transporte terrestre. Su importancia es capital, ya que en cualquier desplazamiento terrestre, la fuerza necesaria para efectuarlo se ejerce contra el suelo. Su regularidad y su respuesta elástica son claves para un movimiento eficiente y confortable. ¿Qué hay más molesto que una carretera cuajada de baches, que un camino nevado que no ofrece un agarre suficiente a nuestros pies o que un viaje en tren lleno de vibraciones y traqueteos inesperados?

En el ferrocarril, el trazado adquiere una importancia singular. A diferencia de otros medios de transporte terrestre, el desplazamiento sobre raíles es especialmente sensible a las pendientes del suelo. Esta debilidad es la contrapartida inevitable, como de costumbre en ingeniería, de una de sus mayores fortalezas: el escaso rozamiento que presenta el contacto entre el metal de las ruedas y la cabeza del carril. La resistencia de rodadura de una rueda típica de coche es del orden de treinta veces mayor que la de un tren. Por este motivo, los ferrocarriles no pueden superar pendientes comparables a las habituales en caminos y carreteras so pena de perder tracción y ser incapaces de avanzar. Algo así tiene una consecuencia inmediata respecto del diseño de los trazados ferroviarios: son muy dependientes del relieve del terreno.

Los ingenieros civiles no son gente fácil de amilanar, sin embargo. Si el relieve no acompaña, se reforma, con los límites impuestos por el presupuesto de la obra, el respeto al paisaje natural y el propio sentido común. Como quiera que no se allana una montaña sin un motivo realmente convincente, las herramientas que quedan en las manos de los ingenieros para crear trazados de vía con pendientes apropiadas para la circulación de trenes son las excavaciones de trincheras, los terraplenes —un terraplén es lo contrario de una excavación—, los túneles y los viaductos. Cada una de estas obras tiene su problemática específica. Hoy prestaremos atención a la última de ellas, los viaductos.

Salvando desniveles

Un viaducto no es más que una construcción que salva un desnivel en el terreno, permitiendo que la altura de la vía que se sitúa sobre él no cambie, o lo haga de forma muy leve. La alternativa al viaducto suele ser un trayecto considerablemente más largo. De hecho, el criterio más elemental, aunque no el único, que decide su construcción es que su coste compense la reducción conseguida en el tiempo de viaje.

El viaducto más sencillo posible es un tablero, ejecutado habitualmente en hormigón, apoyado sobre dos estribos (la parte de la construcción que se apoya contra el terreno tanto vertical como horizontalmente). La distancia salvada en horizontal entre apoyos es conocida con el poético nombre de luz. Pilares adicionales a medio camino permiten salvar distancias mayores.

Ni que decir tiene: los viaductos son obras de ingeniería claves para hacer viable el moderno transporte terrestre. También son muestras de orgullo por el buen hacer de una empresa o incluso todo un país en lo que concierne a infraestructuras. En este sentido no hay país en el mundo que haga sombra a China. El impresionante desarrollo de su red de ferrocarril de alta velocidad, con una longitud total de 38.000 kilómetros previstos en 2025, ha conllevado un ritmo de construcción de puentes y viaductos frenético. El más largo de ellos es el viaducto Danyang-Kunshan, que forma parte de la línea de alta velocidad Beijing-Shanghái, con la increíble longitud de 164,8 kilómetros. Atraviesa una zona llana de humedales y cultivos de arroz paralela al río Yangtsé.

Viaducto, conócete a ti mismo

Los grandes puentes y viaductos actuales llevan incorporados sistemas de sensores que facilitan conocer su estado en tiempo real. Extensómetros que determinan la longitud precisa entre dos puntos fijos de la infraestructura, clinómetros que registran pequeños cambios en pendientes, sondas térmicas para determinar las tasas de expansión y contracción naturales de los materiales, así como anemómetros para conocer las cargas debidas al viento en diferentes partes de la estructura, son algunos de los aparatos que, conectados a equipos registradores con múltiples canales de datos, permiten deducir el estado y evolución de la infraestructura.

Sin embargo, hay una gran cantidad de puentes y viaductos más antiguos o más pequeños para los que no resultaría práctico desplegar sistemas de monitorización en tiempo real, y que aun así tienen necesidades de control periódico de su estado. Estos viaductos se controlan habitualmente de forma visual, lo que supone un hándicap a la hora de detectar daños estructurales ocultos. Y no solo: también introduce un elemento de falta de rigor en los registros históricos, ya que no se basan en parámetros objetivos, sino en descripciones textuales. Trabajar de este modo resulta engorroso e impreciso a la hora de buscar variaciones en la evolución temporal de la estructura frente a los esfuerzos provocados por su uso cotidiano o por eventos extraordinarios como inundaciones o avenidas de agua.

Un estudio de 2014 sobre las causas de derrumbe (total y parcial) de 92 puentes y viaductos en Estados Unidos determinó que la mayor parte, algo más de un 52%, era debida a eventos catastróficos relacionados con la meteorología. Tan solo un 9% de los eventos destructivos podía achacarse a causas relacionadas con el deterioro estructural del propio viaducto o sus cimientos. Sin embargo, y más aún después del colapso del puente Morandi en Génova en agosto de 2018, la concienciación de las autoridades y gestores de infraestructuras con la realización de un mantenimiento equilibrado y eficaz es mayor que nunca. Este impulso choca con la reducción generalizada de presupuestos de mantenimiento sufrida desde la crisis de 2008. El resultado: son necesarias nuevas técnicas de mantenimiento, eficaces, baratas y sostenibles, que permitan aprovecharse de los últimos avances tecnológicos en el tratamiento de grandes bases de datos y la inteligencia artificial.

Mantenimiento avanzado

En 2016, un consorcio formado por las sociedades Telice, Inse-Rail, Anco Engineers y la Fundación Caminos de Hierro, con la financiación del Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (dependiente del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades), emprendieron un proyecto de innovación que tuvo como objetivo el diseño y prueba de un prototipo de sistema que podría responder satisfactoriamente a estas necesidades, suponiendo un gran paso adelante en las técnicas de monitorización y mantenimiento de viaductos ferroviarios.

Ya en fase comercial bajo el paraguas de la sociedad Hamertec, el sistema desarrollado consiste en un dispositivo excitador de vanos de viaductos capaz de aplicar sobre su estructura cargas controladas en magnitud, amplitud y frecuencia. Las vibraciones generadas se asemejan a las producidas por un tren circulando sobre las vías, con la ventaja de que no es necesario disponer de un tren cargado para realizar las medidas. Esto hace más sencillo y barato el desarrollo de las campañas de mantenimiento, y abre posibilidades como la de repetirlas a intervalos regulares para comparar la respuesta de la infraestructura a lo largo del tiempo.

La innovación que introduce Hamertec no se limita al campo del mantenimiento preventivo. Las medidas realizadas con el sistema, combinadas con información constructiva del viaducto bajo estudio, permiten avanzar un paso más para conseguir realizar un auténtico mantenimiento preventivo, a través de la creación de un 'gemelo digital' del viaducto. La simulación detallada de la respuesta ante diferentes cargas y condiciones de la estructura permite también llevar a cabo estudios de redimensionamiento de tráficos. ¿Qué ocurrirá con un puente si la línea que discurre sobre él ve las frecuencias de paso incrementadas, una mayor circulación de trenes de mercancías o un aumento de la velocidad comercial? Hamertec se posiciona con una oferta para permitir una toma de decisiones efectiva e informada en la gestión de la infraestructura.

Música subsónica

¿Pero cómo es posible determinar el comportamiento de un viaducto con un aparato que, esencialmente, es un vibrador gigante? Vamos a intentar comprender una parte de lo que se está haciendo con ayuda de una sencilla intuición física: pensemos en un viaducto sencillo con un solo vano. El tablero, apoyado en sus extremos sobre los estribos del puente, puede vibrar como la cuerda de una guitarra al ser pulsada. En una cuerda, la nota que se produce (es decir, la frecuencia de la onda generada) depende de la longitud libre entre sujeciones, la tensión mecánica bajo la que se encuentre y la densidad del material que la forma. Es decir: si medimos la cuerda de una guitarra y sabemos de qué está hecha, es posible calcular su tensión mecánica solo 'escuchándola'.

Pues bien, algo similar puede hacerse con el tablero de un viaducto. Podemos excitarlo con nuestro vibrador y medir la frecuencia de la respuesta generada: el 'sonido', aunque en el caso de un viaducto y debido a las dimensiones involucradas, el resultado está por debajo de las frecuencias que podemos oír. En la señal medida habrá mucha más información, como otras frecuencias de respuesta, llamadas armónicos. El análisis es computacionalmente complejo, pero es fácil de ver que la comparación de la respuesta obtenida a lo largo de diferentes campañas de medida tiene el potencial de revelar deterioros en la estructura que, de otro modo, habrían podido pasar inadvertidos. En la guitarra, si la nota fundamental producida por una de sus cuerdas cambia, hablamos de que se ha 'desafinado'. Podemos ajustar la tensión de la cuerda con su clavija correspondiente, o en un caso extremo cambiarla por una nueva.

Hágalo usted mismo

Está más allá de los límites de este artículo describir los procesos de mantenimiento de que se acometerían en caso de detectar un deterioro por este procedimiento, pero es relativamente sencillo emular las condiciones de las medidas sobre viaductos que puede realizar el dispositivo de Hamertec en nuestra propia casa u oficina. Para realizar el experimento solo necesitaremos una mesa rectangular que hará las veces de viaducto 'a escala', así como un teléfono móvil relativamente moderno. Instalaremos en él una aplicación gratuita denominada VibSensor (disponible aquí para iPhone, versión de iOS 6 o superior; o aquí para Android, versión 4.1 o superior).

Observaremos que si aplicamos con las manos un esfuerzo rápido en el centro del tablero de la mesa, ésta vibra. Nuestro experimento consistirá en iniciar el programa VibSensor, colocar el teléfono en el centro de la mesa de modo que haga las veces de dispositivo sensor, ponerlo a grabar datos (botón Acquire, y pulsar Start) e imitar lo que haría el vibrador de Hamertec con las manos durante el siguiente minuto: provocar vibraciones en la mesa con diferentes esfuerzos de las manos. Es más fácil con las dos, y estando de pie junto a la mesa. No es necesario hacer mucha fuerza: tan solo asegurarnos de que la mesa está vibrando, sin que el teléfono se desplace. Si nos pasamos, podríamos dañar la mesa: ese es uno de los problemas con los que tuvo que enfrentarse el equipo del proyecto al desarrollar el prototipo: queremos medir la respuesta del puente, pero... ¡no deteriorarlo! Afortunadamente, se descubrió que hay un rango amplio de fuerzas de medida que permiten obtener información útil sin alterar físicamente la estructura, igual que es posible tocar una cuerda de guitarra sin romperla.

Una vez transcurrido el minuto de grabación (es el intervalo que viene configurado por defecto), se puede pulsar sobre el botón ViewData, donde veremos la medida que hemos realizado con la fecha del día. Si hemos hecho varias pruebas, la siguiente pantalla nos permitirá escoger una de ellas. Tras pulsar sobre la medida que queramos ver, se nos mostrará una pantalla aparentemente críptica. Nuestra vista se centrará inmediatamente en el gráfico que ocupa la mitad inferior de la pantalla.

Analizando los resultados

Este gráfico tiene el muy tecnológico nombre de 'espectro de potencia'. ¡No nos dejemos llevar por la impresión de la terminología! Las tres líneas de colores corresponden a la respuesta en frecuencia registrada por los sensores (acelerómetros) del teléfono móvil durante el tiempo de la prueba. A nosotros solo nos interesa la respuesta en el eje Z, es decir, la vibración de arriba abajo. Pulsando en los recuadros de colores para X e Y podemos eliminarlos del gráfico, y ante nosotros veremos claramente una especie de perfil montañoso como el de una etapa diabólica de la Vuelta a España. La respuesta a nuestra pregunta, cuál es la vibración fundamental de nuestro 'viaducto', viene dada por la posición del pico más alto de estas 'montañas'. En el caso de la mesa de mi despacho, donde hice el experimento, resulta ser de algo más de 8 hercios (un hercio es una vibración de un ciclo por segundo). Como referencia, el sonido más grave que puede ser percibido por un ser humano está entre los 20 y los 30 hercios, así que no podremos oír la 'música' de nuestra mesa, pero sí verla gracias a la aplicación.

Ahora podéis jugar con la mesa: pedirle a un voluntario que se siente a un lado —digamos a un tercio de su longitud—, poner el teléfono en el centro del otro lado y repetir el experimento. ¿Qué ocurre? También podéis hacer este mismo experimento, de forma análoga, en una pasarela peatonal: dejáis el teléfono en el suelo hacia el centro del vano e inducís vibraciones a base de correr y saltar sobre el tablero. Es recomendable ir acompañado para que no sea tan fácil pensar que nos hemos vuelto majaras, así como para vigilar que nadie crea que el teléfono en el suelo está abandonado.

Sin la capacidad de producir vibraciones estrictamente controladas como las generadas por el dispositivo de Hamertec —y sin una cantidad de sensores que determinen simultáneamente la respuesta de la estructura en diferentes puntos—, nuestras posibilidades para estudiar la mesa están limitadas. Sin embargo, hemos visto claramente cómo de fácil puede ser medir la respuesta de un viaducto frente a diferentes condiciones de tráfico ferroviario simulado por esas vibraciones, sin tener que recurrir a hacer circular trenes cargados a diferentes velocidades. Una innovación clave para mejorar el mantenimiento y la seguridad de obras esenciales en cualquier línea férrea del mundo...

Para que nosotros y nuestras mercancías podamos llegar.