por Luna Lu y Vishal Saravade
Todos los días, los estadounidenses viajan por carreteras, puentes y carreteras sin considerar la seguridad o confiabilidad de estas estructuras. Sin embargo, gran parte de la infraestructura de transporte en los EE. UU. Está desactualizada, se está deteriorando y necesita una reparación urgente.
De los 614,387 puentes en los EE. UU., Por ejemplo, el 39 por ciento son más antiguos que su vida útil diseñada, mientras que casi el 10 por ciento son estructuralmente deficientes, lo que significa que podrían comenzar a romperse más rápido o, peor aún, ser vulnerables a fallas catastróficas.
El costo de reparar y mejorar la infraestructura de transporte en todo el país oscila entre casi 190 mil millones de dólares y casi un billón de dólares . La reparación de la infraestructura de los EE. UU. Cuesta a los hogares individuales, en promedio, alrededor de $ 3,400 cada año . Se estima que la congestión del tráfico por sí sola le cuesta al conductor promedio $ 1,400 en combustible y tiempo de viaje , una cifra a nivel nacional de más de $ 160 mil millones por año .
Soy profesora en la Escuela de Ingeniería Civil Lyles y directora del Centro de Infraestructuras Inteligentes de la Universidad de Purdue. Mi coautor, Vishal Saravade, es parte de mi equipo en el Laboratorio de Materiales Sostenibles y Tecnología Renovable (SMART). SMART Lab investiga y desarrolla nuevas tecnologías para hacer que la infraestructura estadounidense sea “inteligente”, más segura y más rentable. Estos nuevos sistemas controlan por sí mismos el estado de carreteras y puentes de forma rápida y precisa y, a veces, incluso pueden repararse por sí mismos.
Hormigón inteligente y autocurativo
La infraestructura (puentes, carreteras, pavimento) se deteriora con el tiempo con el uso continuo. Sin embargo, la vida útil de las estructuras podría prolongarse si los daños se monitorearan en tiempo real y se corrigieran desde el principio . En el norte de los EE. UU., Por ejemplo, los ciclos de congelación-descongelación en invierno hacen que el agua se filtre en el pavimento donde se congela, expande y agranda las grietas, lo que puede causar daños importantes. Si no se repara, este daño puede propagarse y romper aceras y puentes.
Dicho daño se puede identificar y reparar de forma autónoma. En una etapa temprana de una grieta, por ejemplo, el pavimento autorreparable activaría polímeros superabsorbentes para absorber agua y producir material similar al hormigón que rellena la grieta. Las grietas tan pequeñas como unas pocas micras se pueden curar para evitar daños importantes al prevenir o retrasar las últimas etapas del ciclo de congelación-descongelación.
Tecnología de carreteras
Muchos investigadores en el mundo están trabajando para mejorar la infraestructura de la construcción. Las tecnologías que se están explorando recientemente incluyen carreteras solares y de recolección de energía, carriles de carga para vehículos eléctricos, farolas inteligentes y reducción de las emisiones relacionadas con el carbono de los materiales de construcción .
En el Purdue SMART Lab, nuestro equipo también está probando sensores novedosos que monitorean la infraestructura de transporte incorporándolos en varias carreteras interestatales de Indiana. Planeamos expandirnos a otros sistemas de carreteras estatales en los próximos años con el objetivo de acomodar mejor el aumento del tráfico y proporcionar estimaciones precisas de las condiciones de las carreteras durante la construcción y su vida útil.
Los sensores incrustados en el pavimento de hormigón adquieren información sobre el estado de salud de la infraestructura en tiempo real y comunican los datos a las computadoras. Las señales eléctricas se aplican a través de los sensores. Las vibraciones del hormigón se convierten en señales eléctricas que se leen y analizan mediante un software personalizado construido en laboratorio. Esto permite a los ingenieros de transporte tomar decisiones efectivas y basadas en datos desde la apertura de carreteras al tráfico y la identificación proactiva de problemas que causan daños o deterioro.
Después de que se vierte concreto para el pavimento de carreteras, por ejemplo, se necesitan horas para curar y volverse lo suficientemente fuerte como para abrirse al tráfico. El momento de abrir una carretera depende de cuándo se cura la mezcla de concreto. Si una carretera se abre demasiado pronto y el concreto no está curado, puede reducir la esperanza de vida del pavimento y aumentar los costos de mantenimiento. Esperar demasiado para abrir una carretera puede provocar retrasos en el tráfico, congestión y mayores riesgos de seguridad para los trabajadores de la construcción y los viajeros. El curado del concreto para proyectos masivos de carreteras requiere mucha atención por parte de los ingenieros junto con el clima específico de esa región.https://www.youtube.com/embed/LS0zXtIa2PA?wmode=transparent&start=7&enablejsapi=1
Los sensores inteligentes integrados en el hormigón permiten a los ingenieros monitorear la infraestructura y tomar decisiones basadas en datos sobre cuándo se puede abrir una carretera y, al mismo tiempo, conservar la máxima esperanza de vida. Los sensores también pueden ayudar a monitorear la calidad del concreto y si es lo suficientemente robusto para resistir el flujo del tráfico y la corrosión después de que se abre una carretera. La infraestructura inteligente y eficiente puede reducir significativamente las fallas estructurales, tanto catastróficas como por desgaste normal, además de generar costos reducidos y proporcionar nuevas formas para que los ingenieros estructurales evalúen la información en tiempo real sobre el pavimento.
Ahorro de tiempo y dinero
El Congreso reconoce la necesidad de invertir en los sistemas de transporte estadounidenses. Recientemente se introdujo un paquete legislativo de 494.000 millones de dólares, la Ley INVEST In America , para abordar el deterioro de las carreteras y puentes de Estados Unidos y, al mismo tiempo, reducir la contaminación por carbono .
Los sensores inteligentes y los sistemas de infraestructura inteligente pueden permitir ahorros significativos de tiempo y dinero con una mayor seguridad en la construcción. Los sensores pueden proporcionar a los ingenieros datos en tiempo real de la calidad de nuestra infraestructura para tomar las mejores decisiones para la construcción y el mantenimiento de carreteras, puentes y pavimentos, al tiempo que mejoran la seguridad de los conductores y trabajadores de la construcción. La adición de propiedades autorreparables puede ayudar a construir una infraestructura sostenible y duradera para reducir el mantenimiento y los costos.
Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original .
Crédito de la imagen: Foto de Saketh Garuda para Unsplash
LUNA LU
Académica y profesora de ingeniería civil de la ACPA, Universidad de Purdue
Luna Lu es la directora fundadora del Centro de Infraestructura Inteligente, Académico y Profesor de la ACPA de la Escuela de Ingeniería Civil Lyles y la Escuela de Ingeniería de Materiales (cita de cortesía), y el Centro de Nanotecnología Birck en la Universidad de Purdue. También es editora en jefe de la revista ES Materials and Manufacturing, que cubre una amplia gama de temas de investigación en todos los aspectos experimentales y teóricos de los materiales y los procesos de fabricación. La Prof. Lu es reconocida internacionalmente por su investigación en el descubrimiento y aplicaciones de nanomateriales para la producción y detección de energía, particularmente en las áreas de células termoeléctricas, piezoeléctricas y solares. Su integración de nanotecnología, ciencia de materiales, y la ingeniería eléctrica con ingeniería civil ha dado lugar a muchas mejoras tecnológicas en una amplia gama de disciplinas de ingeniería. Estos incluyen materiales con banda prohibida amplia para la recolección de energía a alta temperatura, materiales piezoeléctricos para sensores de infraestructura y materiales de infraestructura civil multifuncionales. El Prof. Lu ha publicado 2 libros, 6 capítulos de libros, más de 100 artículos técnicos, 1 patente y 7 divulgaciones de patentes. Ha realizado numerosas conferencias magistrales e invitadas en conferencias internacionales de primer nivel, como la Materials Research Society (MRS), el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y la Sociedad Internacional de Óptica y Optoelectrónica (SPIE), etc. El Prof. Lu ha recibido numerosos premios y reconocimientos por su docencia, investigación y actividades empresariales, incluido el premio NSF CAREER de la Purdue Faculty Scholar.
VISHAL SARAVADE
Científico postdoctoral, Universidad Purdue
Vishal es un científico postdoctoral en el grupo del Prof. Luna Lu en la Escuela de Ingeniería Civil Lyles, en la Universidad de Purdue. Los intereses de Vishal incluyen el desarrollo de tecnologías novedosas para detectar y monitorear materiales e infraestructura de construcción, y materiales y dispositivos para la próxima generación de electrónica y recolección de energía, como la espintrónica y la energía fotovoltaica.
