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¿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
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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.

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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.
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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.
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Instalación de sistema de monitorización estructural kBuilding en la Iglesia Preromanica de San Julián de los Prados. Oviedo.

 

 

 

 

 

 

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¿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.)
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Evolucion de los Sistemas de Monitorización Estructural

La auscultación es un procedimiento clínico de exploración física que consiste en escuchar de manera directa o por medio de instrumentos como el estetoscopio, el área torácica o del abdomen, para valorar los sonidos normales o patológicos producidos en los órganos (contracción cardíaca, soplos cardíacos, peristaltismo intestinal, sonidos pulmonares, etc.).

Adaptado al sector de la construcción, la auscultación/monitorización la definiríamos como toma de datos en el edificio para estudiar posibles patologías.

Fachada en ruinas
Fachada en estado de ruina.

Se presentan dos alternativas, la de  monitorizar edificios enfermos, y la de  monitorizar edificios afectados por una obra. En el primer caso existen unos deterioros que hay que controlar, mientras que en el segundo caso, el técnico debe definir una serie de parámetros a medir para verificar que las potenciales incidencias de la obra proyectada con las colindantes son las que efectivamente suceden en la realidad.

¿En qué consiste la monitorización.?

La monitorización consiste en estudiar el edificio, investigar las patologías, definir una serie de instrumentos de medición a instalar, medirlos con la frecuencia lógica, y emitir un informe con los datos y una valoración según unos criterios de gravedad.

«La práctica totalidad de los derrumbes de edificios, por lesiones en la estructura, asentamientos de la cimentación, descalces de la cimentación por obras colindantes, nuevas cargas en edificios existentes,… se pueden evitar y prevenir con la adecuada monitorización.»

Testigo tradicional de yeso en grieta de fachada.
Testigo tradicional de yeso en grieta de fachada.

Por ejemplo, cuando se está ejecutando la excavación con sótanos de un solar en el casco viejo con colindantes sin sótanos de cimentaciones escasas, una adecuada auscultación nos puede avisar cuándo estamos empezando a afectar a las cimentaciones vecinas, y así poder adecuar las metodologías de la obra a la nueva situación.

¿Que sistemas utilizamos para monitorizar?

Desde muy antiguo ya se controlaba mediante instrumentos ópticos la inclinación de las fachadas para prevenir derrumbes a causa de obras colindantes.

Hasta ahora la instrumentación de estructuras se utiliza básicamente en obra civil para excavaciones de obras subterráneas y en determinadas excavaciones para edificios en las ciudades, sobre todo en cascos antiguos.

Esta instrumentación se basa en mecanismos que se fijan en las lesiones,  fachadas o en el terreno,  para mediante sensores portátiles determinar la evolución de sus medidas.

Estamos hablando de:

  • Fisurómetros lineales o de dos direcciones, nos dan medidas del valor de apertura de la fisura.
  • Clinómetros de fachada, nos facilitan valores de inclinación de fachadas o estructuras.
  • Inclinómetros, nos da valores de movimientos del terreno en vertical, en dirección del empuje de las tierras.
  • Líneas de asiento, nos permite medir movimientos del terreno en horizontal, para estudiar asentamientos.
  • Piezómetros permiten conocer las variaciones de los niveles freáticos (agua en el subsuelo), dato fundamental para estudiar posibles movimientos del terreno.
  • Sensores de corrosión, permiten conocer el grado y la velocidad de avance del frente de corrosión provocado por la inclusión de cloruros en la armadura.
  • Mediciones por topografía en regletas de nivelación o sobre dianas. Facilitan datos de movimientos generales de paramentos horizontales y verticales vistos y accesibles.

Tradicionalmente la instrumentación se diseñaba pensando en cómo facilitar al técnico el acceso al aparato de medida, dado que físicamente se tiene que llegar hasta él, esta situación hacía que la frecuencia de las mediciones en muchas ocasiones no era la optima.

Monitorización de estructuras en ‘tiempo real’.

Un sistema de monitorización estructural permite asegurar la integridad estructural del edificio proporcionando datos de deformación continuos a lo largo de extensos períodos de tiempo; esto permite que se realice un mantenimiento apropiado, seguro y rentable.

Este tipo de herramientas de monitorización ofrecen como principales beneficios:

  • Disponer de información precisa y en tiempo real de determinadas magnitudes físicas que se produce en una o varias estructuras/edificios.
  • Facilitar al técnico su trabajo ofreciéndole una poderosa herramienta donde dispondrá de toda la información pasada y presente del edificio monitorizado.