Monitoreo SHM de puente grúa con sensores de fibra óptica y fatiga
La tecnología de sensado por redes de Bragg en fibra óptica (FBG) ofrece una medición de deformación en línea de alta precisión e inmune a interferencias electromagnéticas para la monitorización de salud estructural (SHM) de puentes grúa. Combinada con modelos de daño acumulativo por fatiga, permite evaluar la vida residual en tiempo real.
Siguiendo los métodos de evaluación de la vida a fatiga para estructuras metálicas establecidos en la norma ISO 4301 / FEM 1.001 (referencia ISO 4301 / FEM 1.001), la estructura de acero de un puente grúa acumula daño por fatiga bajo cargas cíclicas prolongadas. Las inspecciones periódicas tradicionales mediante ensayos no destructivos (MT/UT) no logran capturar el proceso completo de iniciación y propagación de grietas. La tecnología de sensado por FBG ofrece una solución distribuida, de alta precisión y operativa en línea a largo plazo para la monitorización de salud estructural (SHM) de puentes grúa. El sistema KL-SHM-FBG, que integra el sensado de deformación por fibra óptica con algoritmos de evaluación de vida a fatiga, ya se ha implementado en múltiples aplicaciones industriales en entornos de puerto y acerías.
Principios y componentes del sistema de sensado por fibra óptica
Los sensores FBG se fabrican escribiendo una rejilla de índice de refracción periódica en el núcleo de la fibra mediante un láser ultravioleta. Cuando incide una fuente de luz de banda ancha, se refleja una longitud de onda específica que cumple la condición de Bragg λB=2neffΛ. La deformación axial o los cambios de temperatura en la fibra alteran el período de la rejilla Λ y el índice de refracción efectivo neff, provocando un desplazamiento en la longitud de onda reflejada. Para la medición de deformación, la sensibilidad típica es de 1.2 pm/με, con una resolución de hasta 0.1 με, muy superior al nivel de 1 με de las galgas extensiométricas resistivas.
El sistema KL-SHM-FBG completo consta de tres partes:
①Módulo de fuente de luz de fibra — utiliza una fuente de luz de banda ancha ASE (banda C, 1525~1565nm, potencia de salida ≥10mW);
②Interrogador de longitud de onda — basado en el principio del filtro de Fabry-Pérot sintonizable, frecuencia de escaneo de 1 kHz, resolución de longitud de onda de 1 pm;
③Red de sensores — cada canal puede multiplexar hasta 16 sensores FBG, utilizando tecnología de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) para distinguir los diferentes puntos de medición.
El sistema transmite los datos interrogados a la plataforma SHM en la nube a través de una pasarela 4G/5G, lo que permite la visualización remota en tiempo real.
Despliegue de la red de sensores de deformación
La viga principal, los testeros y las uniones son zonas críticas para la fatiga y requieren una instrumentación prioritaria. Basándose en los resultados del análisis de elementos finitos (FEA), se instalan sensores de deformación FBG biaxiales (en dirección longitudinal y transversal) en la platabanda inferior de la sección central de la viga principal. Se colocan sensores uniaxiales en los extremos de la viga principal (aproximadamente a 1/4 de la luz desde el testero), y sensores multipunto alrededor de los grupos de Pernos de Alta Resistencia en las conexiones de los testeros.
La instalación de los sensores utiliza un proceso de fijación adhesiva pretensada y una capa protectora de cianoacrilato. Cada sensor se calibra individualmente durante la fase de prefabricación en el taller para asegurar una precisión de longitud de onda inicial de ±0.05 nm. Durante el despliegue en campo, se incorporan FBG de compensación de temperatura (instalados sin tensión, suspendidos) para eliminar el efecto de sensibilidad cruzada a la temperatura. Se recomienda instalar entre 16 y 24 puntos de medición por viga principal para constituir una red completa de monitoreo del campo de deformaciones. El cable de señal se enruta a través de canales a lo largo del alma de la viga principal hasta el armario de adquisición de datos situado bajo la Cabina del Operador.
La selección de la densidad de puntos de medición requiere un equilibrio entre la precisión de detección y el coste del sistema. La regla empírica es: para puentes grúa de uso general con una Luz de 22.5~31.5 m, se coloca un punto de medición FBG biaxial cada 2.5~3 m a lo largo de la platabanda inferior, densificando la zona central del vano a intervalos de 1.5 m. En las zonas de conexión de los testeros, se presta especial atención a la primera y la última fila de Pernos de Alta Resistencia (zonas de concentración de tensiones), con al menos 2 puntos de medición (uno de medición y uno de compensación) por nodo de conexión. Para Puentes Grúa Metalúrgicos (Clase de Funcionamiento A7/A8), se recomienda instrumentar todas las áreas con tensión >60 MPa en el mapa de tensiones del FEA, asegurando una cobertura del 100% de las secciones críticas. La característica de multiplexación por división de longitud de onda del sistema KL-SHM-FBG permite añadir o eliminar puntos de medición en el cable principal de forma flexible sin necesidad de re-tender la fibra óptica troncal.
Método de evaluación de la vida residual en línea
La evaluación de la vida a fatiga basada en datos de tensión-deformación en tiempo real sigue un procedimiento estándar de tres pasos: en primer lugar, se aplica el método de conteo de ciclos Rainflow a la forma de onda tensión-deformación de cada punto de medición, extrayendo los pares de amplitud-media de ciclos completos y semiciclos; a continuación, utilizando la curva S-N del material (para aceros Q235B/Q355B, comúnmente empleados en puentes grúa, con grados de fatiga FAT 125~160), se calcula la contribución al daño de cada ciclo mediante la regla de daño acumulativo lineal de Palmgren-Miner, Di = ni/Ni; finalmente, se acumula el daño total D=ΣDi, considerando que cuando D≥1 la posición ha alcanzado el límite de vida a fatiga.
Para mejorar la precisión de la evaluación, el sistema incorpora el modelo de corrección de tensión media de Goodman, que transforma la amplitud de tensión de ciclos asimétricos en una amplitud equivalente de tensión media nula: σa,e = σa × σb/(σb−σm). Asimismo, se emplea una matriz de Markov para almacenar los resultados del conteo Rainflow, manteniendo cada punto de medición una matriz bidimensional de amplitud-media de 128×128, con una relación de compresión de datos de 1000:1, adecuada para el registro continuo a largo plazo. El sistema actualiza la curva de daño acumulado cada 10 minutos y, cuando la tasa de daño diario supera el umbral (p. ej., daño diario >0,01%), se envía automáticamente una notificación de alerta.
En la práctica de ingeniería, la incertidumbre en la evaluación de la vida a fatiga proviene principalmente de la dispersión de la curva S-N y del tratamiento de los ciclos de pequeña amplitud en el conteo Rainflow. Para ciclos de pequeña amplitud (amplitud <5με), el Instituto Internacional de Soldadura (IIW) recomienda el método de truncamiento (cut-off limit), ignorándolos directamente, ya que su contribución al daño por fatiga es inferior al umbral del límite de fatiga. Para ciclos de amplitud media (5~30με), se puede aplicar la fórmula de corrección de Haibach, ajustando la pendiente de la curva S-N de m=3 a m'=2m−1=5, para evaluar de forma más conservadora el efecto acumulativo de los ciclos de baja tensión. El sistema KL-SHM-FBG adopta por defecto el método de curva S-N de doble pendiente según la norma IIW; no obstante, el usuario puede seleccionar en la interfaz de software diferentes normas (como Eurocode 3, BS 7608 o AS 4100) en función del grado de acero específico y del tipo de unión.
Comparativa frente a la extensiometría eléctrica tradicional
Para ilustrar de forma clara las ventajas técnicas de la sensorización por redes de Bragg (FBG) frente a las galgas extensiométricas resistivas convencionales, se presenta a continuación una comparativa transversal basada en seis dimensiones clave. Estos parámetros determinan directamente la disponibilidad a largo plazo y los costes de mantenimiento del sistema SHM en entornos industriales como acerías y puertos, siendo criterios fundamentales en la decisión de selección.
Desde la perspectiva de la aplicación en ingeniería, los factores clave a sopesar en la elección de la solución incluyen: el coste de inversión inicial, los gastos de mantenimiento a largo plazo, la fiabilidad de los datos y la escalabilidad del sistema. Aunque la solución con galgas extensiométricas presenta un menor coste unitario de adquisición, en el entorno industrial de un puente grúa —caracterizado por altas vibraciones, presencia de polvo y fuertes interferencias electromagnéticas— los problemas de envejecimiento y rotura de los cables de señal, la deriva del cero en los amplificadores y las interferencias de radiofrecuencia elevan el coste total del ciclo de vida (TCO) hasta 1,8~2,5 veces el de la solución FBG. A continuación se ofrece una comparativa detallada en seis dimensiones para ayudar a las empresas a tomar una decisión informada según sus condiciones operativas y presupuesto.
| Dimensión de Comparación | Resistencia Solución con galgas extensiométricas | FBGSolución con redes de Bragg en fibra óptica |
|---|---|---|
| Costo por punto | ¥15~30/galga | ¥80~150/punto(Incluye amortización del interrogador) |
| Largo plazoestabilidad | Deriva de cero0.5%/mes, Requiere recalibración de cero frecuente | Deriva anual<0.1%, Exento Calibración |
| Resistente a Electromagnético Interferencia | Deficiente(La señal eléctrica es susceptible a Variador de Frecuenciadiafonía) | Excelente(Señal óptica, Totalmente inmune a EMIinfluencia) |
| Capacidad de multiplexación | Cada galga requierecable de señal | 16punto/multiplexación por división de onda en fibra |
| Complejidad del cableado | Gran cantidad de cables(Propenso a rotura de cables, Mal contacto) | Fibra monomodo en serie para todos los puntos de medición |
| Ciclo de mantenimiento | 3~6Requiere reemplazo en meses | 5Libre de mantenimiento por más de un año |
Casos prácticos de aplicación
Tomemos como ejemplo un puente grúa de 32t/50t en la nave de acería de una planta siderúrgica. Este puente grúa tiene una Clase de Funcionamiento A7, con un promedio de 220 Ciclos de Trabajo diarios y lleva 8 años en servicio. En junio de 2025 se instaló el sistema KL-SHM-FBG, desplegando 24 puntos de medición FBG en el centro de la Viga Principal, en las zonas de conexión del Testero y en las áreas afectadas por el calor de los Cordones de Soldadura. Al día 47 de la puesta en marcha del sistema, el punto de medición #7 en el centro de la Viga Principal detectó un aumento repentino del 18% en la amplitud de deformación; el conteo por el método de rainflow indicó que la tasa de daño diario en ese punto pasó de un valor base de 0,003% a 0,024%.
Tras la parada y la Inspección por Partículas Magnéticas (MT), se confirmó la existencia de una Grieta de fatiga transversal de aproximadamente 12 mm en esa zona. Tras una reparación por soldadura oportuna, la operación volvió a la normalidad, evitando un accidente por Fractura súbita. Este caso valida el valor de la alerta temprana del sistema FBG-SHM en la práctica de ingeniería.
El éxito de este caso atrajo la atención del sector; posteriormente, otras 3 acerías y 2 empresas portuarias desplegaron sistemas SHM del mismo tipo. Desde la perspectiva del beneficio económico, el coste medio de reparación de una Fractura de la Viga Principal debida a la falta de detección de Grietas en un solo puente grúa se estima entre 45.000 y 80.000 EUR (incluyendo la sustitución estructural, las pérdidas por parada de producción y los gastos de Izaje), mientras que el coste de despliegue por unidad del sistema KL-SHM-FBG es de aproximadamente 6.000 a 10.000 EUR, lo que representa una relación coste-beneficio de 1:5 a 1:8. Tras la puesta en marcha del sistema, la acería detectó de forma anticipada 3 Grietas por fatiga y 7 aflojamientos de conexiones en 12 meses, evitando directamente 2 potenciales accidentes por Fractura de la Viga Principal. Las posteriores Actualizaciones del sistema SHM para los 6 puentes grúa adicionales de la acería adoptaron todas la solución de sensores FBG, con un total de 192 Sensores FBG desplegados, cubriendo todos los puentes grúa de las naves de acería.
Preguntas frecuentes sobre el sistema SHM
P: ¿Cuál es la ventaja principal de los sensores de fibra óptica FBG frente a las galgas extensiométricas en el SHM de puentes grúa?
R: La ventaja más crítica del sensor FBG es su inmunidad a las interferencias electromagnéticas y su estabilidad a largo plazo. El Entorno de Trabajo de un puente grúa genera fuertes campos electromagnéticos procedentes de Variadores de Frecuencia, Motores y Cables de alta Corriente. Las señales de nivel de microvoltios de las galgas extensiométricas son fácilmente perturbadas, lo que puede provocar falsas alarmas o fallos de detección. El FBG transmite señales ópticas, totalmente inmune a las EMI. Además, la deriva del cero de una galga extensiométrica es de aproximadamente 0,5% al mes, requiriendo múltiples recalibraciones anuales; mientras que la referencia de longitud de onda del FBG se basa en líneas de transición atómica, con una deriva anual inferior al 0,1%. Adicionalmente, el FBG permite conectar 16 puntos de medición en una sola fibra (WDM), reduciendo significativamente el cableado.
P: ¿Cómo se garantiza la fiabilidad a largo plazo de los sensores FBG en entornos exteriores para grúas?
R: El sensor incorpora fibra recubierta de oro con un recubrimiento secundario de poliimida, y su superficie está protegida con un Sellado doble de cianoacrilato y silicona. El cable de salida utiliza un Cable blindado (diámetro 3 mm, con tubo espiral de Acero Inoxidable y capa de refuerzo de Kevlar), resistente a la tracción y a la mordedura de roedores. El rango de temperatura de funcionamiento es de −40~+85°C, con un encapsulado con Grado de Protección (IP) IP67. En las zonas del Testero del puente grúa, donde las vibraciones e impactos son mayores, se recomienda instalar una Placa de cubierta de metal protectora. Los datos de campo muestran que, en entornos de alta concentración de polvo y alta humedad en acerías, la tasa de supervivencia de los sensores se mantiene por encima del 97% después de 24 meses de uso.
P: ¿Qué factores influyen en la Precisión de la evaluación de la vida a fatiga del sistema SHM?
R: Principalmente influyen tres factores: la correspondencia de la curva S-N — los diferentes grados de Acero y espesores tienen distintos Niveles FAT; la diferencia de FAT entre Q235B (≈S235JR) y Q355B (≈S355JR) puede ser del 15~20%; la precisión del algoritmo de conteo rainflow — la correcta extracción de ciclos completos/semiciclos depende de un umbral adecuado (se recomienda un deadband de 3με); y la aplicabilidad del modelo de corrección de Goodman — su efecto es limitado cuando la tensión media es de compresión. La precisión integral suele estar dentro de ±30% (error relativo), lo que se considera un nivel aceptable desde el punto de vista de la ingeniería dentro del marco de evaluación SHM de la Norma ISO 12111.
P: ¿Qué funciones de Monitoreo Remoto y alerta ofrece el sistema KL-SHM-FBG de Kelude?
R: El sistema KL-SHM-FBG de Kelude Industrias Pesadas ofrece un mecanismo de alerta de cuatro Niveles: aviso azul (tasa de daño diario en un punto >0,005%), alerta amarilla (>0,01%), alerta naranja (daño acumulado >0,05% y daño total >0,3) y alarma roja (daño acumulado ≥0,8 o un aumento repentino de la amplitud de deformación >15%). El sistema transmite los datos a la plataforma SHM en la nube a través de una pasarela 4G/5G, permitiendo la visualización en tiempo real de las formas de onda de deformación de cada punto de medición, las curvas de daño acumulado y las tendencias de predicción de vida residual desde un teléfono móvil. También genera automáticamente informes SHM mensuales en PDF, que incluyen la matriz de rainflow, mapas de distribución de puntos críticos de daño y recomendaciones de Mantenimiento.
