Los sensores cuánticos podrían detectar daños ocultos en miles de puentes estadounidenses clasificados como “estructuralmente deficientes”

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 a medida que el óxido se propaga alrededor del acero escondido dentro del concreto. Una pequeña grieta por fatiga puede extenderse. Una inundación puede arrastrar la tierra del muelle. Para cuando aparecen grietas, concreto suelto o cierres de carriles, es posible que la ventana de reparación más barata ya esté cerrada.

Cuando se trata de puentes dañados, el problema es nacional. Estados Unidos tiene más de 624.000 puentes de carreteras. Alrededor de 220.000 requieren reparación o reemplazo importante, y 41.677 están calificados como pobres, también llamados estructuralmente deficientes. Si bien “deficiente” no significa que sea inseguro, sí significa que al menos un elemento clave del puente recibió una calificación baja, lo que indica deterioro o grietas que requerirán una reparación importante.

Como investigador que estudia fotónica y detección cuántica, trabajo en dispositivos que miden señales débiles u ocultas. Mi laboratorio aplica la física al desarrollo de dispositivos, incluidos sensores cuánticos. Sensores avanzados de este tipo algún día podrían ayudar a los ingenieros a determinar dónde mirar para determinar si los daños ocultos en la infraestructura están empeorando. Sin embargo, no pueden reemplazar a los inspectores humanos.

Las inspecciones protegen los puentes, pero son grabaciones

Las inspecciones federales de puentes, basadas en estándares nacionales de inspección de puentes exigidas por el Congreso en 1968, existen porque fallas pasadas han demostrado que pequeños defectos pueden amenazar estructuras grandes.

Según las normas federales actuales, muchos puentes deben inspeccionarse a intervalos no superiores a 24 meses. Los puentes con 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 tramos más largos.

Esas inspecciones siguen siendo necesarias, pero son grabaciones. El puente puede cambiar a lo largo de los meses entre visitas. La corrosión puede extenderse debajo de una plataforma que luce saludable. Es posible que haya una pequeña grieta dentro de la soldadura. Un río puede mover tierra de los cimientos mientras que el camino de arriba parece sin cambios. Los sensores amplían las inspecciones al monitorear estos cambios que se forman entre las revisiones programadas.

El daño oculto puede crecer silenciosamente

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. La capa de hormigón suele proteger el acero, pero las grietas, la niebla salina y los iones de cloruro del agua de mar o las sales de deshielo pueden erosionar esa protección. Luego, el óxido se expande, de manera muy similar a como el hielo se expande en una grieta en una acera. Esto empuja el hormigón hacia afuera y puede provocar que el material se afloje o que las capas se separen.

El daño por fatiga es la versión de ida y vuelta del puente para doblar clips. Así como un clip eventualmente se rompe después de doblarlo repetidamente, los componentes de acero de un puente se debilitan y se rompen bajo ciclos continuos de tensión. Miles de vehículos pesados ​​pueden provocar la aparición de pequeñas grietas cerca de soldaduras, uniones 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 está perdiendo el terreno que necesita.

Esperar cuesta más

Cuanto antes puedan los ingenieros identificar los daños en los puentes antiguos, más tiempo y opciones tendrán para repararlos. El puente estadounidense promedio tiene unos 47 años. Muchos puentes están cerca o ya han superado su vida útil de 50 años, y alrededor del 45% la han superado.

Generalmente es menos costoso mantener puentes en buenas condiciones que aquellos que ya están en malas condiciones. Hacer todas las reparaciones necesarias identificadas en los puentes de Estados Unidos 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-35V en Minneapolis en 2007 se debió en parte a placas de refuerzo de tamaño insuficiente (las placas de acero que conectan las vigas que se cruzan en el marco estructural del puente) junto con peso y cargas de construcción adicionales. La caída mató a 13 personas e hirió a 145.

El monitoreo de puentes puede identificar daños estructurales que eventualmente podrían provocar colapsos devastadores.

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 ver, 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 asociados con áreas dañadas de una plataforma y LiDAR, abreviatura de detección y alcance de luz, puede crear mapas tridimensionales.

Algunos sensores están escuchando: las sondas ultrasónicas y de eco de impacto envían ondas sonoras al hormigón o al acero, los sensores de emisión acústica detectan grietas activas y los acelerómetros monitorean cómo vibra el puente.

Algunos sensores escanean debajo de la superficie. Las herramientas de radio especializadas intentan localizar acero oculto, humedad atrapada, bolsas vacías o capas de desconchado dentro del hormigón. Mientras tanto, instrumentos magnéticos y eléctricos intentan adivinar si ese acero enterrado se está oxidando.

El valor de los sensores a menudo proviene de la combinación de métodos. Un robot de inspección de puentes utiliza un radar subterráneo, herramientas eléctricas que miden la humedad y una cámara estándar para recopilar datos. Luego crea mapas visuales simples que muestran el estado exacto de la plataforma del puente. Un sensor óptico podría ser otra forma. Los investigadores han demostrado que los cables de telecomunicaciones existentes pueden registrar las vibraciones de los puentes.

Los sensores son evidencia, no juicios.

Si bien los instrumentos proporcionan pistas clave sobre el estado de la estructura, no dictan automáticamente una 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 el puente.

Los datos sobre el terreno son confusos. El hormigón húmedo puede oscurecer los resultados del radar. El tráfico, el viento y la temperatura pueden enmascarar cambios en las vibraciones.

Los mejores sistemas responden preguntas específicas: ¿Dónde comienza una plataforma de concreto a dividirse en capas horizontales debajo de la superficie? ¿Esta brecha se está expandiendo activamente? ¿El cable de suspensión está perdiendo su resistencia estructural a medida que sus alambres de acero internos se oxidan? ¿El agua que se mueve rápidamente arrastra el suelo crítico que sostiene los cimientos de los puentes submarinos después de una tormenta?

Los sensores cuánticos son la frontera

Los sensores cuánticos pueden ayudar cuando los signos de desorden estructural son débiles, desordenados 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, aún no revisada por pares, sobre magnetómetros cuánticos para la inspección de infraestructuras. Estos sensores identifican señales de reacciones de inducción, fugas de flujo magnético, voltaje, corrosión y corrientes de operación.

En pocas palabras, estos sensores pueden ayudar a mapear campos magnéticos débiles cerca de acero, cables o conductores eléctricos. Los cambios o perturbaciones en estos campos magnéticos locales pueden revelar óxido oculto, cables rotos dentro de un cable de suspensión grueso o puntos de tensión anormales en el acero antes de que se forme una grieta.

Los magnetómetros atómicos son un tipo de sensor que utiliza átomos en una celda de vapor para medir campos magnéticos débiles. Pueden trabajar a temperatura ambiente. J. Cocina/NIST

La parte difícil no es construir un sensor que establezca récords en un laboratorio silencioso, sino construir 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 del mundo real.

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 algunas paradas repentinas en reparaciones planificadas con meses de anticipación.

Es posible que el público nunca note el mejor uso del sensor de puente. Ésa es la cuestión: la tecnología de infraestructura más segura suele funcionar antes de que el problema se haga visible desde la carretera.