NUEVOS TIEMPOS PARA LAS CONSTRUCCIONES URBANAS

 

36 madrid_austrias
La reconstrucción de edificios en cascos históricos ha sido un problema en las ciudades. Madrid de los Austrias.

 

Es estos últimos años, se ha observado un repunte en la reconstrucción y rehabilitación de edificios situados en el  casco antiguo de las ciudades, revalorizando estas zonas céntricas y dejando atrás los tiempos de decadencia a las que se habían visto sometida.

La falta de solares libres en el centro histórico, hace casi obligatoria la demolición de la estructura existente, ya sea de manera total o parcial (en el caso de que tengamos que conservar la fachada principal por tratarse de un edificio singular). La nueva promoción tendrá que adaptarse a la demanda actual del mercado, por lo que es muy habitual la construcción de sótanos para ofrecer plazas de garaje y trasteros a los nuevos inquilinos.

Una vez que estamos en el solar, es cuando aparecen las primeras tramas, cuando pasamos del papel a pie de obra. El comportamiento de una estructura sometida a cambios en su reparto de cargas hace que esta sufra movimientos. Podemos hacer un estudio previo del comportamiento que puede tener la estructura o incluso una simulación, pero en la obra pueden surgir diferentes batallas. Y es ahí cuando incorporar las nuevas tecnologías que disponemos actualmente cobra sentido. Monitorizar estas estructuras con kBuilding te ofrece mejoras en cuestiones de:

  • SEGURIDAD
  • RENDIMIENTO
  • ECONOMÍA
  • ESTÉTICA (En el caso de monitorización de edificios históricos)

Las actividades de demolición y vaciado de un solar, afectan directamente a los edificios colindantes, disminuyendo temporalmente sus prestaciones y capacidades. Uno de los primeros síntomas, son los movimientos de reajuste de la estructura debidos al efecto descarga generado por la demolición, que nos da lugar principalmente a la aparición de grupos de grietas y fisuras en las medianeras. La monitorización de estas grietas para observar su comportamiento a lo largo de la ejecución de la obra de vaciado del solar, nos puede prevenir de daños más graves e importantes en la estructura.

img_7464
Medianeras monitorizadas por kBuilding en el Barrio Salamanca, Madrid.

 

En cuanto a las excavaciones, a diferencia de las construcciones de grandes residenciales en el extrarradio, en estos casos hay que tomar una serie de precauciones, ya que se trabaja con menor grado de libertad al poder afectar a las cimentaciones de edificios anexos. En varias ocasiones hemos visto noticias sobre desplomes de muros en edificios colindantes a una obra o incluso su colapso y esto suele ocurrir por la intrusión de la excavación en zonas que afectan al terreno de cimentación del otro edificio, produciendo movimientos de tierras que comprometen a la seguridad del edificio.

Como dice el dicho, es mejor prevenir que curar, por lo que aparte de tomar las precauciones típicas, previas a la ejecución de la obra, ahora podemos beneficiarnos de nuevas tecnologías como es la monitorización remota de kBuilding. Basándonos en la colocación de sensores ( fisurómetros, inclinómetros, acelerómetros…)  que permiten registrar, visualizar y alertar de posibles movimientos en  tiempo real de la estructura que queremos controlar, manteniendo la seguridad en la zona de trabajo de la obra.

Cómo monitorizar remotamente el desplome de un muro en una Ermita

Como punto de partida de este proyecto básico de monitorización estructural, empiezo por introducir el monumento a monitorizar, en este caso se trata de la Ermita de Santa María la Antigua, también conocida como Ermita de Nuestra Señora de la Antigua o Ermita del Cementerio de Carabanchel. Se trata de un templo católico situado en Carabanchel  (Madrid) y cuyo origen se remonta al siglo XIII. Construido con un estilo románico-mudéjar, entre los años 2000 y 2002 recibió una importa rehabilitación a cargo del arquitecto Pedro Iglesias.

Como se aprecia en las imágenes, sus muros son de mampostería con verdugadas de ladrillo.

Exterior de la Emita de Santa María la Antigua. Carabanchel.

 

Hay que destacar la portada de ladrillo con tres arcos rehundidos enmarcados en un alfiz. Precisamente, en esa imagen se aprecia el fuerte desplome que presenta el muro hacia el exterior. El contrafuerte existente busca limitar ese movimiento si bien en los últimos años desde la rehabilitación del año 2003 han aparecido importantes grietas en el interior.

Muro exterior que presenta un fuerte desplome.

Esta situación, está actualmente bajo la supervisión técnica del Arquitecto José Santos Torres, quien desde un primer momento tuvo claro la conveniencia de monitorizar en continuo este movimiento de desplome de manera que se pudiese apreciar las tendencias del movimiento y así poder tomar las medidas de protección necesarias en en el supuesto de exceder determinados valores límite.

José Santos Torres, opto por instalar el kit básico de motorización ofrecido por el sistema kBuilding, este kit consta de dos sensores de desplazamiento(detectan movimiento de grietas), un clinómetro biaxial (detectan inclinaciones en dos ejes) y finalmente una sonda de temperatura y humedad ambiente.

Aspecto del kit básico kBuilding
Aspecto del kit básico kBuilding presentado en maletín con ruedas para fácil transporte.

La instalación del sistema se realizo con facilidad mediante el uso de una escalera plegable

IMG_6454
Instalación mediante escalera plegable del concentrador de señal sobre el muro exterior.

El uso para las conexiones eléctricas de conectores rápidos hace que el tiempo de instalación sea breve (apenas una hora) ya que únicamente es necesario la fijación mecánica de los equipos y los sensores.

Gracias al sistema de conexionado rápido de los sensores, todo el sistema de monitorización se instalo en apenas 1 hora.

En primer lugar se instaló el concentrador de señal a una altura del suelo aproximada de 3.5 m. Suficiente para evitar que sea fácilmente manipulado ya que en el interior del templo se celebra puntualmente culto religioso.

IMG_6460
Aspecto final de la instalación de kBuilding.- Kit Básico

Como se aprecia en la imagen, se opto por la instalación del clinómetro biaxial (a la derecha de la imagen) que registra el desplome en los dos ejes del muro. Uno de los ejes es paralelo al muro y el otro perpendicular al mismo.

En la pared perpendicular al muro, se instala un sensor de desplazamiento en una grieta profunda que aparece ligada al desplome del muro. La medida de está variable en combinación con el clinómetro se considera suficiente para asegurar el movimiento de desplome del muro. También se ha instalado una sonda de temperatura y humedad para poder relacionar posibles movimientos con determinadas condiciones termohigrométricas en el interior del templo.

El sistema de monitorización estará instalado durante varios meses según el criterio del Arquitecto José Santos Torres.

Captura Inicio Web.PNG
Página inicial de acceso al sistema kBuilding.

El acceso a la información registrada se consigue mediante el acceso vía web al sistema kBuilding donde los datos son acumulados a lo largo del tiempo para su posterior visualización en gráficas, tablas, etc.

 

 

Monitorización de una Vivienda Unifamiliar

IMG_6213
Personal a la llegada de la vivienda unifamiliar. En la vivienda no se disponía de suministro eléctrico luego todo los equipos instalados son 100% autónomos.

En este nuevo caso real de monitorización estructural utilizando la plataforma kBuilding.es, el objetivo inicial era evaluar el posible movimiento de una vivienda unifamiliar ubicada en una ladera dentro de una urbanización próxima a la ciudad de Jaén.

La vivienda unifamiliar con una superficie en planta superior a las 150 m² presenta actualmente una fuerte inclinación a favor de la ladera. La nivelación de la parcela con rellenos mal compactados se articula como la causa potencial del movimiento. Una cimentación basada en losa de hormigón, ha hecho que si bien la vivienda presente un desnivel acumulado entre de más de 15 cm, en la vivienda no han aparecido grietas. La vivienda se mueve como un bloque rígido apoyado en un terreno sin consolidar y con nulas características mecánicas.

IMG_6216(1)
Equipo concentrador de señal IP68 anclado a la solera (planta baja) de la vivienda unifamiliar. El equipo es 100% autónomo sin necesidad de suministro eléctrico.

Con la intención de seguir controlando el movimiento de la vivienda, el equipo técnico responsable de la estabilización, ha optado por la instalación de dos inclinómetros de precisión anclados a la solera de la planta sótano de la vivienda y en el punto mas alejado del eje de giro de la losa de cimentación.

 

Actualmente el sistema de monitorización lleva mas de 4 meses monitorizando el movimiento de la losa. El objetivo es pasados 6 meses de seguimiento,  ejecutar la solución técnica que permita la estabilización de la losa (inyección de mortero o ejecución de micro pilotes) y comprobar durante los siguientes 6 meses la efectividad de la solución adoptada.

A nivel de costes, este tipo de monitorización está en linea con el alcance del proyecto y su duración. Se puede redondear a un coste final de 50 €/mes por cada señal adquirida incluyendo instalación y alquiler de equipos durante la fase de monitorización.

 

Monitorización del hundimiento de una solera

30190020_m
Solera de hormigón en nave industrial de estructura mixta.

En ocasiones las instalaciones comerciales o industriales están construidas sobre capas de rellenos de gran espesor. El proyectista recurre al PG3 para determinar la calidad del relleno (seleccionados, adecuados, tolerables, marginales e inadecuados) pero durante la ejecución en muchas ocasiones un inexistente plan de control de calidad permite que las calidades del relleno así como su correcta ejecución y control (ensayo proctor, densidades in-situ, placas de carga, etc) no cumplan con lo prefijado en el  proyecto por el técnico.

Esta situación ocasiona a medio plazo un asentamiento en algunos casos de la estructura y solera (cimentaciones superficiales) y en otros (estructura pilotada) únicamente de la solera apoyada en el relleno. En cualquier caso son situaciones que exigen un estudio técnico y un seguimiento de la patología estructural que permita evaluar si el problema está solucionado o por lo menos bajo control.

El caso real que voy a exponer parte de una nave comercial construida sobre un relleno de 10 metros de arcillas que han resultado finalmente de alta deformabilidad. Si bien la estructura de hormigón prefabricado está pilotada y no se sufre movimientos, la solera de hormigón, con 40 cm de canto está sufriendo en algunas partes un hundimiento progresivo inducido por el secado de las arcillas. Con un asentamiento teórico estimado en el ultimo informe geotécnico de 16 cm., el objetivo de la propuesta técnica es controlar el asentamiento y su evolución en el tiempo.

Alternativas planteadas

Partiendo de la premisa que la estructura no sufre movimientos se plantean dos alternativas.

  • Un seguimiento topográfico de la solera. Para ello partiendo de un pilar de la estructura se diseñaría un conjunto de puntos de control en la solera que se controlarían en un intervalo de 3 meses. (4 visitas en 12 meses).
  • Una monitorización en continuo del hundimiento de la solera. Mediante la instalación de medidores de distancia de hilo inextensible anclados entre las vigas de la estructura y la solera de hormigón.
Sensor de desplazamiento por cable

Mejor solución

La instalación de 6 medidores electrónicos de distancia de hilo inextensible conectadas a una herramienta de análisis de los datos (www.kbuilding.es) ha sido la solución preferida por los técnicos responsables del proyecto.

Las tres principales ventajas que han encontrado son:

  • Posibilidad de acceder en todo momento a la información de la evolución de los movimientos de la solera en los puntos de interés.
  • Disponer de movimientos absolutos y su variación en el tiempo. Posibilidad de asociar estos movimientos con lluvias en la zona. (las arcillas deformables son muy sensibles a la presencia de agua).
  • Poder generar alarmas si se producen movimientos fuera de los límites de control preestablecidos.

En resumen, en este proyecto, con un presupuesto equivalente para ambas alternativas, el disponer de 6 puntos monitorizados y estrategicamente situados en una solera de aproximada de 4.000 m² unido a conocer en tiempo real datos sobre su movimiento en función al tiempo ofrece a los técnicos responsables del proyecto más información útil que la alternativa de un seguimiento topográfico discreto (medidas cada 3 meses) de un mayor número de puntos.

Monitorización de vibraciones en una estructura

 

Representacion onda sísimica

Muchas actividades diarias que ocurren en una sociedad industrializada generan vibraciones: tráfico de toda clase de vehículos, cercanía a vías de tren, proximidad de maquinaria de construcción, zonas de gran actividad industrial e incluso proximidad a canteras donde se producen frecuenten voladuras como parte de su actividad de explotación.

Estas vibraciones pueden generar molestias a las personas y daño estructural. El potencial de efectos perjudiciales depende de diversas características de estas vibraciones: por un lado amplitud, frecuencia, duración y por otro de las propiedades de comportamiento dinámico de los sistemas que excitan (frecuencia de resonancia y resistencia de la estructura).

Resumiendo, es el sistema que compone fuente emisora-suelo transmisor-estructura el que determina en conjunto el efecto del fenómeno vibratorio.

A nivel operativo, para los técnicos generalmente no nos es factible –por tiempos y costes– realizar evaluaciones detalladas de las componentes a predecir, y así poder controlar los efectos de las vibraciones en la estructura. Se recurre entonces a leyes empíricas generalizadas, recomendaciones genéricas y normas para evaluar si las vibraciones generadas por actividad humana pueden tener efectos dañinos sobre las estructuras y las personas.

inca
Ejemplo real de hinca de tablestacas en zona urbana (Gijón) donde las vibraciones producidas fueron monitorizadas en tiempo real vía web utilizando Plataforma kBuilding.es

Si nos centramos en países europeos, cada uno aboga por tener su propia normativa:

  • Alemania – DIN 4150 ha publicado varios criterios de niveles máximos de vibración, el primero en 1975, el cual fue desglosado (3 partes) y actualizado en 1999 y 2001. Los valores indicativos recomendados por la DIN 4150:1975 dependen del tipo de edificación. Una de las características importantes en esta norma es la inclusión de valores máximos (de partícula y pico vertical) para edificaciones históricas
    Las actualizaciones de la norma DIN mencionadas son:

    • Predicción de los parámetros de medición (DIN, 2001-b)
    • Efectos en las personas dentro de edificaciones (DIN, 2001-c) y
    • Efectos en estructuras (DIN, 2001-a).
  • Escocia – PAN50 desarrollada y publicada en febrero de 2000, se basa en los estándares: BSI (British Standard Institute) BS-6472 de 1992 y BS-7385 partes 1 (sobre la medición). y 2 (sobre los efectos) de 1993. Los puntos principales tratados en esta norma en cuanto se refiere a vibraciones producidas por voladuras son:
    • Lugar donde se debe realizar las mediciones.
    • Los niveles de amplificación en estructuras, se definen en un rango de frecuencias entre 5 y 40 Hz donde las estructuras pueden amplificar los movimientos del suelo y es probable que se presente daño cosmético.
    • Los umbrales y tipos de daños en las viviendas producidos por vibraciones.
    • Los efectos de la geología en las vibraciones inducidas por voladuras.
  • España – UNE 22-381-93 La norma española “Control de vibraciones producidas por voladuras” (AENOR, 1993), tiene como objetivo principal establecer un procedimiento de estudio y control de las vibraciones producidas por voladuras en trabajos de explotación de minas, canteras, obras civiles, demoliciones y otras técnicas que requieran el uso de explosivos.
  • Suiza SN 640 315a La norma de Suiza fue elaborada para ser aplicada a las vibraciones causadas por: voladuras, maquinaria y tráfico y que pueden causar daño cosmético en la edificación. Al igual que la mayoría de las normas de control de vibraciones, no tiene en cuenta: la percepción humana, los daños en equipos delicados, y los efectos en suelos blandos de las vibraciones causadas por las fuentes antes mencionadas.
  • Suecia SS 460 48 66 La norma sueca tampoco considera las molestias causadas a humanos, ni el riesgo de equipos sensibles a vibración, pues solo contempla el efecto de las vibraciones producidas por voladuras sobre las edificaciones.
    Esta norma esta sustentada en cientos o miles de observaciones en el lecho rocoso escandinavo, donde se han podido estimar con buena certeza niveles de daño en las estructuras. Esto ha hecho que la norma tenga en cuenta varios tipos de estructuras geológicas, que otras normas no han tenido en cuenta; sin embargo, el no incluir información de frecuencias y de otras componentes diferentes a la vertical hace que sea desactualizada respecto a los estándares actuales.

Resumiendo, en algunos casos la normas existentes están orientadas exclusivamente a la valoración de vibraciones provocadas por voladuras y en otros además se tiene en cuenta  las vibraciones ocasionadas por tráfico, vías de ferrocarril, obras de construcción, etc. y su impacto en las personas afectas por su área de influencia.

Tipo de sensor y que magnitud debemos monitorizar.

En general el tipo de sensor que se debe utilizar depende de la aplicación particular. En el área de vibraciones de estructuras –dinámica estructural– lo habitual es medir las aceleraciones, las cuales están relacionadas directamente con las fuerzas inerciales en las estructuras; sin embargo, en vibraciones causadas por actividad humana, como voladuras en canteras, tráfico de vehículos, maquinaria de obra civil, etc., el objetivo es la realizar una comparación de los datos obtenidos con normas, las cuales plantean en todos los casos el uso de sensores de velocidad (Vpp).

maletin
Equipo portátil de Monitorización de Vibraciones. Plataforma kBuilding.

La explicación para medir velocidad parte de la relación entre velocidad de vibración –velocidad de partícula o resultante– y esfuerzos, en el caso idealizado de una onda plana en un medio elástico infinito, está dada por σ = εE, ε = û·/c, σ = ûE/c, siendo σ el esfuerzo, ε la deformación, E el módulo de elasticidad, û la velocidad de partícula y c la velocidad de propagación de la onda sísmica. En resumen, para un substrato geológico determinado y un tipo de edificación (lo que implica velocidad de propagación y módulo de elasticidad constante), la velocidad de vibración de partícula es la variable decisiva, es decir es la que determina los esfuerzos, los que pueden ser los causantes de daños.

¿Durante cuanto tiempo monitorizar una estructura?

Ilustración Cuadro de monitorización estructural

A menudo, técnicos colaboradores de nuestra plataforma de monitorización estructural (www.kBuilding.es) nos plantean la cuestión sobre cuanto tiempo es necesario monitorizar una estructura sometida a estudio patológico. Nuestro criterio es pensar en cual es el objetivo que buscamos con la monitorización.

Hemos identificado tres posibles escenarios que consideramos interesante compartir…

 

1.) Alertar de la activación de una patología existente.

En algunos casos, un sistema de monitorización estructural se puede instalar como un ‘vigilante durmiente’ que nos alerte sobre un posible movimiento estructural (Ej: Una fisura/grieta inactiva que vuelve a activarse, un muro que varios años sin movimiento comienza a inclinarse, etc.).

En estos casos el planteamiento optimo consiste en instalar sensores que únicamente detecten estas situaciones de alerta pero sin cuantificar numéricamente el movimiento. De esta manera el coste de la instalación y el mantenimiento del sistema es mínimo y la estructura está controlada 24h x 365 días por tiempo ilimitado.

 

2.) Determinación de la tendencia del movimiento.

Más importante que la propia patología detectada es su evolución en el tiempo. Cualesquiera que sea el método de análisis planteado, siempre será necesario una observación detenida como parte del método del análisis. Esta observación, es difícil por no decir imposible sin la adecuada instrumentación con la frecuencia adecuada.

El objetivo de instalar un sistema de monitorización estructural es facilitar al técnico de una herramienta que le permita definir/validar un modelo de comportamiento de la estructura en base a las tendencias de las variables monitorizadas.

‘Una fisura o grieta, no es mas perjudicial por ser mayor su amplitud, sino por su estado de evolución en el tiempo.’

En general, el periodo de tiempo de observación dependerá de:

  • la precisión y exactitud alcanzada con el sensor utilizado. Lógicamente cuanto mayor sean estas más rápido se podrá fijar la tendencia (creciente/decreciente) de un movimiento estructural.
  • la velocidad de desplazamiento  que llegue a presentar la patología estructural analizada.

 

3.) Determinación de movimientos cíclicos.

Habitualmente, temperatura y humedad son factores que afectan a los materiales con los que está construido la estructura/edificio. Estos factores crean efectos de dilatación y contracción estructural provocando movimientos cíclicos.

Entre estos efectos cíclicos predominan dos:

  • Variación día/noche.
  • Variación verano/invierno, correspondiente a periodos en los que se alcanzan máximos y mínimos valores para esos factores.

Un sistema de monitorización estructural permite observaciones en intervalos muy cortos de tiempo (minutos/horas/etc.) de manera que cualquier efecto cíclico cuyo periodo sea menor que el correspondiente a la captura de la información va a ser detectado siempre y cuando los sensores utilizados dispongan de la precisión/exactitud adecuada.

‘Una estructura total o parcialmente fisurada, sólo indica que está trabajando de forma distinta a como se pensó en origen.’

Ya que las deformaciones/movimientos de la estructura debidas a cambios de temperatura y cambios de estación a lo largo de un año fluctúan entre unos valores máximos y mínimos, intercalando periodos de recuperación. El sistema de monitorización estructural garantiza determinar dichos comportamientos naturales de las estructuras distinguiéndolos de otros movimientos anómalos.

En estos casos el periodo de observación ha de extenderse durante al menos un ciclo completo del movimiento a estudiar. (Ej: 12 meses en el caso de ciclo verano/invierno.)

¿Qué se debe medir en una estructura para monitorizarla?

Las estructuras de edificios son dinámicas ya que están sujetas a un conjunto de movimientos normalmente de carácter periódico y condicionados por diversos factores. Estos se clasifican en:

  • Cargas aplicadas que producen deformaciones de dos tipos, elásticas e inelásticas, teniendo en cuenta si se recupera la posición inicial o no. (viento, terremotos, asentamientos del terreno, etc).
  • Cambios de temperatura, que producen expansión o contracción de los materiales que conforman la estructura.
  • Cambios en la humedad del ambiente que producen hinchazón o contracción en los materiales.
  • Acciones químicas producidas por la humedad y agentes contaminantes que pueden cambiar el volumen de los materiales.

Cada uno de estos factores o la combinación de varios de ellos pueden producir movimientos en la estructura de un edificio. El objetivo de un sistema de monitorización (Ej. kBuilding.es)  es detectar y registrar estos movimientos para posteriormente mostrárselos al técnico quien podrá interpretarlos como acordes o anómalos dentro de la dinámica natural del edificio.

Un sistema de monitorización estructural permite registrar y visualizar:

  • Movimientos puntuales, producidos por excavaciones cercanas, desastres naturales (terremotos, explosiones, etc.), que pueden llevar al colapso de la estructura o por el contrario pueden producir el acomodamiento del edificio a la nueva situación.
  • Movimientos cíclicos, producidos por los cambios de temperatura y humedad del ambiente, dan lugar a deformaciones elásticas recuperándose la posición inicial al completar el ciclo.
  • Movimientos de tendencia progresiva, debidos a problemas estructurales o combinación de factores que se van acumulando a lo largo del tiempo y son los causantes de la inestabilidad de la construcción, como el efecto de fatiga con el paso del tiempo. Este tipo de movimientos, entraña el concepto de velocidad de desplazamiento. Este concepto, es fundamental a la hora de diagnosticar la evolución de la estructura.

Dentro de estos movimientos, los movimientos puntuales en general no tiene sentido intentar detectarlos ya que son impredecibles (no se puede conocer cuándo va a suceder un terremoto ni dónde) y de magnitud variable. Sin embargo en zonas específicas, obras de construcción, excavaciones importantes, si se pueden  registrar fenómenos de este tipo y un sistema de monitorización resulta de gran utilidad para una detección temprano de dichas inestabilidades.

Los movimientos cíclicos, al recuperarse, entran dentro de la dinámica natural de la estructura, sin embargo, sí que es interesante conocer su magnitud con el fin de poder diferenciarlos de los movimientos anómalos.

En las dos gráficas adjuntas se puede ver dos evoluciones de una grieta a lo largo del tiempo.

  • En la Ilustración 1 se observa que si bien se produce un movimiento en la grieta, su evolución es cíclica a lo largo del tiempo y muestra una tendencia central.
  • En la Ilustración 2, la evolución también es cíclica, sin embargo en este caso la tendencia si muestra un crecimiento a lo largo de los años. Esta estructura requiere de una acción correctiva que solucione dicha problemática.
Movimientos Ciclico
Ilustración 1. Movimiento cíclico. Fuente: http://www.kBuilding.es
Ilustración 2
Ilustración 2. Movimiento cíclico con tendencia progresiva. Fuente: http://www.kBuilding.es

Internet de las cosas aplicado a la monitorización estructural

World Cloud Internet Of Things
Nube de conceptos relacionados con el Internet de las Cosas. M2M.

En los últimos meses estamos viendo como los sistemas de información M2M (machine to machine) o popularmente denominados ‘Internet de las cosas‘ están llegando progresivamente al mercado profesional y de consumo.

Estas tecnologías aplicadas a los sistemas de monitorización de estructuras y edificios implican una nueva dimensión ya que permiten.

  • Mayor densidad de muestreo de señales estructurales.
  • Coste contenido de los equipos de captura y envío de señales.

La popularización del concepto de ‘captura de datos’ por parte de un conjunto de sensores y el envío de los mismos a una aplicación de gestión (normalmente en la ‘nube’) se puede realizar a un coste razonable utilizando un amplio abanico de dispositivos (sensores) aparecidos en el mercado.

La mayoría de estas nuevas tecnologías están basadas en placas Arduino, Raspberry Pi, etc. conectados a sensores low-cost capaces de capturar un amplio abanico de magnitudes físicas.  Así a día de hoy empiezan a aparecer empresas nacionales con soluciones sensoriales M2M para multitud de sectores (industrial, construcción, agrícola, medioambiental, etc.).

Experiencias

Nuestra experiencia con este y otros tipos de tecnologías similares se ha centrado en probar varios sistemas en instalaciones piloto con el objetivo de obtener conclusiones que nos permitiesen desarrollar o integrar un sistema propio de monitorización estructural y ambiental estable, sencillo y profesional.

2013-12-11 17.38.42
Presentación pública en congreso M2M de un primer sistema piloto de monitorización de estructuras basado en tecnología Arduino.

 

Conclusiones

Tras varios meses de diseño, experimentación y pruebas en diferentes entornos, nuestras conclusiones se resumen en:

  • Es de vital importancia la estabilidad del sistema de monitorización de estructuras. Esto implica alejarse en lo posible de tecnologías mas orientadas a la experimentación académica y que pueden adolecer de falta de estabilidad en su funcionamiento durante largos periodos de tiempo.Tener que ‘resetear’ un equipo es una operación que puede resultar imposible (o con un coste elevado por la utilización de medios auxiliares de elevación) en determinadas instalaciones por la situación del elemento sensor.
  • A nivel sensorial, los principales fabricantes de sensores de alta calidad (derivados de la obra civil) y elevada precisión se alimentan con unos niveles de tensión (12/24 V.) que un equipo alimentado con pequeñas baterías de 1.5 V. no puede alcanzar. Esto obliga en el caso de la tecnología Arduino / Raspberry Pi a la utilización de sensores de 5 V. y que no ofrecen la estabilidad en la medida ni la precisión necesaria para garantizar los datos obtenidos.
2013-08-24 20.37.30
Ejemplo de ‘prototipo‘ medidor de desplazamiento lineal alimentado a 5 V. montado sobre un fisurómetro tradicional.
  •  Las comunicaciones de los sensores basadas en protocolos de baja demanda energética ZigBee, LoRa, etc. permiten realizar instalaciones de manera rápida ya que eliminan gran parte del cableado necesario para transmitir la señal entre sensor y concentrador de señal. Sin embargo, como he comentado en el párrafo anterior, determinados sensores de alta precisión, demandan un nivel de tensión que nos ha reconducido a utilizar otro protocolos de comunicación con resultados óptimos.

Nuestra solución

El sistema desarrollado en nuestro caso (kBuilding), aúna el aprendizaje adquirido en las pruebas piloto y plantea una sistema M2M de monitorización estructural y ambiental donde combinamos las mejores tecnologías y herramientas disponibles en el mercado.

  • Al poder alimentar los sensores a 24 V, utilizamos sensores de alta precisión cuando la estructura y la patología a estudio así lo demanda.
  • Somos capaces de monitorizar vibraciones estructurales de baja frecuencia en continuo con procesamiento de señal incorporado. Cumpliendo con normativa DIN4150.
  • Determinados sensores pueden utilizar la comunicación ZigBee con la estación central de control, de esta manera eliminamos en lo posible el cableado.
  • Disponemos de bidireccionalidad en la gestión de los equipos, de esta manera somos capaces de modificar ‘on line’ la frecuencia de adquisición de datos.
  • Todos nuestros equipos pueden ser alimentados durante varios años mediante baterías de alto rendimiento o bien si es posible disponer de alimentación convencional (220 V.).
  • Tecnología ‘enchufar y listo’. El diseño de nuestros equipos, facilita al máximo la instalación al personal técnico de manera que la pues en marcha sea rápida y eficiente.
  • Los datos obtenidos son enviados a una aplicación en la ‘nube’ alojados en Amazon AWS. Integridad y accesibilidad a la información están garantizados mediante el uso de una base de datos orientada al ‘Big Data‘.

La experiencia adquirida tanto en los proyectos piloto y posteriormente en los proyectos de monitorización estructural, han reforzado nuestro planteamiento de disponer de una tecnología estable que garantice la ausencia de problemas técnicos y garantice al técnico una información de calidad.

Concentrador KBuilding
Integración de un concentrador de señal kBuilding utilizando los huecos existentes en la estructura a monitorizar. (Puente Romano. Madrid)

Además, disminuir el efecto visual de la instalación ha sido uno de los objetivos que también hemos alcanzado en nuestros proyectos mediante:

  • Uso de tecnologías inalámbricas estables.
  • Diseño optimizado (tamaño y peso) de los concentradores de señal.
  • Gran experiencia en el proceso de instalación de equipos.
2014-03-15 16.03.26
Instalación de sistema de monitorización estructural kBuilding en la Iglesia Preromanica de San Julián de los Prados. Oviedo.

 

 

 

 

 

 

¿Monitorización estructural versus Structural Health Monitoring (SHM)?

tCon la llegada de las nuevas tecnologías al sector de la construcción ha habido grandes avances en la facilidad con la que los técnicos pueden disponer de información en tiempo real de parámetros de la estructura o edificio a estudiar.

Sin embargo, es importante diferenciar entre monitorizar una estructura (con mayor o menor grado de tecnología) e implantar un sistema de monitorización de la salud estructural (en inglés SHM).

A grandes rasgos las principales diferencias se centran en:

En un sistema de monitorización estructural, el sistema se instala en la estructura/edificio con la intención de observar una posible evolución en el tiempo de la patología detectada por un técnico previa inspección. El objetivo es sustituir los testigos clásicos y los equipos de medición manual (exigen costosos desplazamientos) por sensores (fisurometros, clinómetros, etc.) capaces de registrar con gran frecuencia de medida los posibles movimientos que sucedan en la estructura durante la fase de análisis y enviarlos periódicamente a una herramienta informática capaz de registrar todos los datos y procesarlos para poder mostrarlos con rapidez por medio de gráficos de tendencia, etc. Con toda la información recabada el técnico puede emitir un informe final de calidad ya que dispone de gran cantidad de datos sobre la evolución de la estructura sometida a estudio a lo largo del tiempo.

A diferencia, un sistema de monitorización de la salud estructural (SHM) está pensado para ser instalado en una estructura ‘sana’ que no presente patología previas. El objetivo es que el sistema informático procese las señales procedentes de los diferentes sensores y de manera ‘automática’ infiera un estado de conservación de la estructura pudiendo alertar de potenciales afecciones con antelación suficiente para poder actuar. No cabe duda que se tratan de sistemas muy sofisticados que cobran sentido en estructuras críticas sometidas en muchas ocasiones a entornos complejos.

Esquema del HMS (Sistema de Monitorización de la Salud Estructural) instalado en el edificio Burj Khalifa (818 m.)