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

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

 

Internet de las cosas aplicado a la monitorización estructural

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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.