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Sistema de monitoreo estructural inalámbrico Terzaghi® para el control de la carga de tensión en anclas

  1. Introducción

El sistema de monitoreo estructural inalámbrico de Terzaghi®, permite monitorear cualquier obra de ingeniería de forma inalámbrica y casi en tiempo real. Una característica particularmente relevante de este sistema es la capacidad de monitorear la evolución de la carga de tensión en anclajes instalados con celdas de carga.

Desde 1970, con la invención de dispositivos que registran los datos (dataloggers) de sensores de forma automática, incluido celdas de carga, se ha desbloqueado de cierta manera la medición “automática” de sensores. Sin embargo, su instalación normalmente requiere de acceso a energía, concentración de cables provenientes de diferentes anclas en un ramal principal, protección del cableado y más. Por esta razón, los sistemas de monitoreo de la evolución de la carga de tensión en anclajes rara vez se aprovechan en la práctica para estructuras de retención en excavaciones o taludes carreteros. Sin embargo, con el auge de la tecnología revolucionaria, el Internet de las Cosas (IoT), estos dataloggers se han vuelto más atractivos, ya que pueden permitir el acceso remoto a los datos.

Nuestro sistema de monitoreo ofrece una forma automatizada y eficiente de monitorear la carga de tensión en los anclajes al suelo. La Figura 1 muestra esquemáticamente cómo trabaja nuestro sistema en estos casos.

sistemas de monitoreo terzaghi

 

Figura 1 Esquema operativo del sistema de monitoreo Terzaghi.

Los componentes esenciales en nuestro sistema de monitoreo son:

  • Las celdas de carga
  • Los dataloggers inalámbricos
  • la Gateway; gestiona la red de monitoreo, procesa los mensajes y prepara los datos para su posterior procesamiento
  • el software de visualización, gestión y análisis de datos.

Las principales ventajas del sistema de monitoreo Terzaghi® sobre otros sistemas de control son las siguientes:

  • Los dataloggers que transmiten de forma inalámbrica los registros de la celda de carga no requieren energía de la red general o de los paneles solares. Son pequeños dispositivos instalados en las cabezas de los anclajes o cerca de ellos y que funcionan con baterías internas.
  • El cableado entre los componentes del sistema de control es mínimo.
  • La configuración de los dataloggers y sensores es de manera rápida, en cuestión de minutos se agregan nuevos sensores a la red.
  • Puede utilizarse desde las etapas iniciales de la construcción del sistema de retención. Esto permite el seguimiento del comportamiento de la estructura de retención a lo largo de su vida útil.
  • Gracias a su tecnología de cobertura de largo alcance, el sistema puede ser aplicable a cualquier contexto.
  • Además de monitorear la carga de tensión del ancla, el sistema también puede controlar otros parámetros geotécnicos relevantes como presión de poro, inclinación de muros, desplazamientos horizontales, evolución de la abertura de grietas, deformaciones y tensiones en áreas puntuales de elementos estructurales, desplazamientos relativos entre puntos, lluvia, y más.

En lo que sigue de este blog, describiremos los diferentes componentes de nuestro sistema de monitoreo estructural de excavaciones o taludes.

  • Celdas de carga

Las celdas de carga son transductores que convierten la fuerza aplicada a ellas en una señal de salida medible, que tiende a ser eléctrica. Hay diversos tipos de celdas de carga, que pueden ser diferenciadas usando dos factores fundamentales: su geometría exterior y el principio físico que les permite medir la fuerza que actúa en ellas.

La geometría exterior de las celdas de carga depende del tipo de aplicación. Por ejemplo, en nuestro caso, para monitorear la carga en los anclajes, la geometría óptima sería del tipo anular o en forma de anillo. Las celdas de carga anulares para anclajes se colocan entre la placa de cuñas y la placa de apoyo de la cabeza del ancla. Su abertura central permite el paso de los “torones” en anclas activas o barras en anclas pasivas.

En cuanto al principio físico de medición del sensor, existen dos variaciones principales: a) celdas de carga hidráulicas o b) aquellas basadas en la medición de deformaciones, como los de cuerda vibrante o con enfoques resistivos.

Las celdas de carga hidráulicas consisten esencialmente en celdas selladas por dos placas soldadas en su periferia, que deja una cámara interior de fluido. Cuando se aplica carga a la celda, la presión en el fluido cambia, y esta variación se puede medir y registrar usando un manómetro analógico (lectura manual) o un transductor de presión eléctrico (generalmente de cuerda vibrante o un sensor de presión de circuito con una corriente de salida de 4-20 mA).

Las celdas de carga de cuerda vibrante, conocidas así en el mercado, contienen un cilindro de acero inoxidable de alta resistencia en el que generalmente se montan tres sensores de deformación de cuerda vibrante, distribuidas uniformemente para minimizar el efecto de las cargas excéntricas. Las celdas de este tipo también pueden venir con varios números de sensores (cuatro, seis, etc.). En estas celdas, la carga aplicada es proporcional a la deformación promedio registrada en los sensores dentro del cilindro de acero inoxidable.

Por otro lado, están las celdas de carga que se basan en la medición de la deformación de un elemento de acero inoxidable de alta resistencia en el que generalmente se montan ocho medidores de deformación (este número puede variar según el rango o fabricante) para compensar el efecto de las cargas excéntricas. Estos medidores de deformación se conectan en una configuración de puente Wheatstone. Cuando se aplica una carga a la celda, el cuerpo de la celda experimenta la tensión y los medidores de deformación cambian su valor de resistencia de modo que la señal de salida (mV/V) sea directamente proporcional a la carga aplicada. El resultado final se compensa con la medición de la temperatura del elemento de acero.

Las celdas de carga basadas en el principio de medición de deformaciones son las que se utilizan con mayor frecuencia en varios campos. Por ejemplo, se utilizan en pesaje industrial, donde los volúmenes de producción son altos, lo que significa que una variedad de fabricantes de este tipo de celdas a precios muy competitivos.

anclajes al suelo medidores de deformación

 

Figura 2 Celda de carga con medidores de deformación de Sisgeo instalada en tres tipos diferentes de anclajes al suelo: ancla de torón sin inclinación (izquierda), ancla de barra (centro) y ancla de barril de torón (derecha).

Todos los tipos de celdas de carga mencionados anteriormente pueden incorporar un sistema que convierte su señal de salida a digital de acuerdo con un protocolo determinado, como Modbus RTU. Esto permite la conexión de diferentes celdas dentro de un mismo circuito de sensores digitales.

Cuando se instalan celdas de carga en anclajes, no es recomendable fiarse de la calibración realizada por el fabricante.

instalación celda de carga monitoreo infraestructuras

 

Figura 3 Instalación de una celda de carga. Las placas de distribución de carga necesarias y la celda de carga se muestran en sus ubicaciones de instalación.

La Figura 3 muestra la sección transversal y la vista frontal de una celda de carga instalada en la cabeza de un ancla. Así pues, la carga presente en el anclaje es igual a la carga aplicada a la celda.

Cuando se instalan celdas de carga en anclajes, no se recomienda depender únicamente de la calibración realizada por el fabricante. Siempre debemos realizar la calibración en sitio de cada celda instalada, ya que las excentricidades generadas durante la instalación serán únicas y podrían no estar consideradas en la calibración del fabricante. La calibración se realiza comparando la carga aplicada por el gato de tensión con la lectura dada por la celda. También es recomendable comprobar durante el tensionado del ancla que las etapas de carga se ajustan adecuadamente con los obtenidos por la celda.

  • Panorama actual de la toma de lecturas de celdas de carga

Para leer las lecturas de una celda de carga comúnmente se utilizan dispositivos de lectura portátiles o dataloggers que permiten una lectura automática.

Hasta hace poco, se solía recurrir a celdas de carga equipadas con un manómetro analógico que permitía obtener lecturas directas de las fuerzas en cada celda de carga. También era una práctica común colocar un conector en el cable de señal de la celda de carga, de modo que se pudieran conectar dispositivos manuales para realizar la toma de lecturas. En ocasiones, para optimizar la monitorización, las celdas de carga se han instalado a un único dispositivo registrador de datos (o datalogger) a través de cables protegidos o forrados. Así pues, en estos casos se requieren de la presencia de técnicos para realizar el monitoreo de carga y registrar las lecturas observadas cada que se requiera realizar la toma de lecturas.

La siguiente figura muestra diferentes tipos de lectores o dataloggers manuales que permiten verificaciones in situ de las cargas de tensión en anclajes. En algunos casos, los dispositivos de lectura pueden enviar datos digitalmente a Internet.

manometro analogo lectura monitoreo

 

Figura 4 Lectura visual in situ mediante manómetro analógico (izquierda), unidad de lectura portátil Sisgeo CRD-400 (centro), lectura in situ de celda de carga con unidad de lectura portátil (derecha).

En proyectos que requieren una recopilación continua de datos, es posible instalar registradores de datos (o dataloggers) que se comunican a través de redes de telefonía móvil. Sin embargo, el procedimiento en estos casos es algo complejo debido a varios factores, por ejemplo: la necesidad de instalación de cables que transmitan la señal desde cada celda de carga instalada a un datalogger central; la necesidad de una protección adecuada para todos los elementos del sistema (cables específicamente); la necesidad de personal técnico en campo para configurar los dataloggers y su suministro de energía. Aunado a esto, una desventaja más de esta solución es que no se puede implementar desde el proceso inicial de instalación de las anclas para medir la evolución de la carga de tensión desde el principio.

data logger central

 

Figura 5 Un muro de retención con anclaje en el que se ha instalado un registrador de datos (datalogger) central. La imagen de la izquierda muestra cables protegidos por tubos que conectan las celdas de carga a la caja centralizada que aloja el registrador de datos. La imagen de la derecha muestra el interior del registrador de datos Campbell Scientific, el módem de comunicaciones y la batería de energía que se puede recargar con un panel solar (no visible en esta imagen).


Evita fallas y perdidas catástroficas


Nuestro sistema de monitoreo estructural de Terzaghi® ha transformado las formas tradicionales de monitorear las cargas de diferentes celdas.

Eso es porque ofrece una solución de lectura automática que no requiere el desplazamiento constante de técnicos para la toma de lecturas. También simplifica la automatización, ya que utiliza dataloggers inalámbricos de vanguardia (de la marca Loadsensing) fácilmente configurables que se caracterizan por tener un largo alcance de comunicación inalámbrica entre dataloggers y otro dispositivo que almacena y permite la descarga de las lecturas a través de internet conocido como Gateway. El alcance de comunicación puede ser de hasta 15 km en condiciones favorables. Otra característica de ventaja de los dataloggers de Loadsensing es que se alimentan de baterías de larga duración que pueden tener una vida útil de hasta 5 años.

El sistema de monitoreo estructural Terzaghi ® permite la instalación de un datalogger por celda de carga, lo cual minimiza altamente el cableado y las instalaciones auxiliares. Es una solución muy adecuada para entornos en estados de cambio continuo, como el área de trabajo de un proyecto con anclajes (excavaciones, túneles o cortes carreteros). Como tal, el sistema de monitoreo Terzaghi® se puede instalar fácilmente incluso en el punto medio de la ejecución de un proyecto. Una vez instalado, puede comenzar inmediatamente a proporcionar datos.

El sistema de monitoreo Terzaghi ® es un sistema de control remoto en el que las lecturas de carga de tensión de varias celdas se transmiten por radio desde los dataloggers hasta la estación de gestión de datos “Gateway”. Desde allí, se accede completamente a las lecturas del sensor a través de Internet con fines de supervisión.

data logger loeadsensing

 

Figura 6 Datalogger de Loadsensing tomando lecturas de una celda de carga en un ancla de barra durante la excavación y estabilización de la entrada de un túnel. La celda de carga detectará los cambios de carga de tensión durante la evolución de los trabajos. Las lecturas de la celda de carga se enviarán por radio desde el datalogger instalado a un costado hasta la estación donde se encuentra la Gateway, generalmente a kilómetros de distancia donde esta tendrá acceso a internet para poder compartir las lecturas del sensor.

  • ¿Cómo funcionan los dataloggers inalámbricos de Loadsensing®?

Los dataloggers inalámbricos de Loadsensing® son dispositivos alimentados por baterías que pueden tomar las lecturas de celdas de carga u otros sensores y transmitir las lecturas a larga distancia mediante radiofrecuencias y con bajo consumo de energía. Las características principales que colocan a estos dataloggers como una solución óptima para el monitoreo de anclaje son:

  • Disponen de un reloj interno para que, según la frecuencia de lecturas, puedan activar la celda de carga y medir la carga que actúa sobre ella en ese momento. Así pues, el consumo de energía de las baterías solo se realiza cuando se activa el datalogger, lo cual le permite entregar una alta duración a sus baterías.
  • El valor de la carga de tensión del ancla registrado por el datalogger se digitaliza y se envía en un paquete de radiofrecuencias inalámbricas de red de área amplia y de baja potencia mediante tecnología LPWAN a la estación de gestión de datos Gateway. Los datos registrados también se almacenan en el propio datalogger.
  • Las señales emitidas por los sensores durante la toma de lecturas son procesadas de forma automática por los dataloggers y las convierten en unidades ingenieriles que determinan la carga de tensión en el anclaje.
  • Las lecturas se transmiten casi en tiempo real.
  • La configuración de los dataloggers es muy simple, a través de una aplicación móvil de Loadsensing se pueden añadir nuevos dataloggers a la red de monitoreo.

Los dataloggers de Loadsensing también se pueden programar para realizar la toma de lecturas periódicas con una frecuencia ajustable, desde lecturas a cada 30 segundos hasta cada 24 horas.

La selección del tipo de datalogger para una celda de carga es un factor determinante que influye en la economía del proyecto. La siguiente tabla ilustra los dataloggers más adecuados para los tipos de celdas de carga y un rango de costo indicativo.

TIPO DE CELDA DE CARGA De cuerda vibrante 5 canales $$$ De cuerda vibrante 1 canal $$ Analógicos 4 canales   $$$ Piconodo     $ Digital     $$$
De cuerda vibrante (VW) de 3 a 5 sensores 1
Medidores de deformación con configuración de puente Wheatstone completa 4  
Hidráulico con transductor de presión. Salida de 4 a 20 mA. 4  
Hidráulico con transductor de presión. Salida de cuerda vibrante. 5 1
Hidráulico con transductor de presión compatible con Piconode. 4 1
Cualquier tipo compatible con salida digital (e.j. Sisgeo) 30
Figura 7 Compatibilidad entre tipos de celdas de carga y dataloggers Loadsensing. También se presenta el número máximo de celdas de cada tipo que podrían conectarse a cada modelo de datalogger.

  • DATALOGGER PICONODE

Como se mencionó anteriormente, para proyectos de excavaciones o taludes que involucran la ejecución de anclajes, la solución de monitoreo de carga de tensión más adecuada sería la colocación de un datalogger por celda de carga. Habiendo considerado las diferentes características técnicas, costos, disponibilidad y condiciones de compatibilidad, recomendamos utilizar celdas de carga con sensores de medición de deformación conectadas a un datalogger analógico de 1 canal como el Piconode Loadsensing.

El Piconode es un datalogger con un canal analógico configurable (puente Full Wheatstone, potenciómetro / radiométrico, voltaje de un solo extremo), así como un canal para leer un termistor y al mismo tiempo medir pulsos. La excitación que se le puede dar a estos sensores es de 5 Vdc. Para habilitar la corrección por temperatura, este dispositivo también transmite su temperatura interna junto con cada lectura.

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Figura 7 External and internal aspect of Piconode (LS-G6-PICO).

Los dataloggers Piconode son económicos y se pueden suministrar con la celda de carga. Vienen con una configuración muy sencilla, sin necesidad de instalaciones auxiliares.

Las empresas manufactureras de anclas también pueden suministrar celdas de carga con placas de distribución adecuadas para la geometría específica de la cabeza del ancla, considerando la salida para conectar el Piconode.

En el mercado, normalmente los fabricantes de celdas de carga también suelen ofrecer el kit completo, que incluyen dataloggers de su misma marca o de otras. Sin embargo, no suele ser recomendable, ya que los fabricantes no tendrían suficiente información sobre la geometría de la cabeza del ancla, lo que puede dificultar el suministro de las placas de distribución adecuadas de las celdas.

En cualquier caso, lo innovador del dispositivo Piconode es que permite a los proyectos de anclaje leer las celdas de carga de forma sencilla y automática a través de una solución que, incluso en los proyectos más grandes, no requiere tanto drama de instalación.

El dispositivo Piconode es un equipo pequeño y altamente confiable. Su caja de policarbonato y su antena interna lo hacen fácilmente integrable en el proyecto, y al mismo tiempo protegido contra actos vandálicos.

La siguiente tabla indica la vida útil estimada de las baterías internas (1 o 2 baterías de tamaño C, 3,6 Vcc, Saft LSH 14) de un Piconode, en función de la frecuencia de lecturas establecida:

Estimación de vida de las baterías internas de los dataloggers Piconode
Frecuencia de lecturas 1 batería 2 baterías
Cada 5 minutos 1 año 2 años
Cada hora 5.1 años 10 años
Cada 6 horas 6.9 años > 10 años
Figura 8 Estimación de vida de las baterías de Piconode

Cada vez que un datalogger de Loadsensing toma una lectura de un sensor, envía los datos registrados mediante ondas de radio a una frecuencia menor a 1 GHz. Utilizan bandas ISM con configuraciones ajustadas a los requerimientos de cada territorio. El tipo de radio que utilizan los dataloggers Loadsensing es LoRa. Es una radio de largo alcance y bajo consumo, ampliamente utilizada en el IoT (Internet of Things) que permite despliegues de redes privadas sin depender de los operadores de redes públicas.

Las ondas de radiofrecuencia emitidas tienen un alcance que depende de las condiciones ambientales, y del relieve en particular. La estación de gestión de datos o Gateway que recibe las ondas emitidas por la red de dataloggers debe ubicarse dentro del área de alcance de este. La siguiente tabla indica los rangos esperados para los dataloggers en algunas de las condiciones de instalación más comunes.

Alcance del radio del Piconode
Condición ANTENA EXTERNA
De cuerda vibrante de 5 canales, analógico de 4 canales y digital
ANTENA INTERNA
De cuerda vibrante de 1 canal y Picnonode
Campo abierto – linea de vision 15 km / 9.3 millas 10 km / 6.2 millas
En áreas urbanas 4 km / 2.5 millas 2 km / 1.2 millas
Dataloggers en registros 2 km / 1.2 millas 1 km / 0.6 millas
Dataloggers y Gateway dentro de túneles 4 km / 2.5 millas 2 km / 1.2 millas
Figura 9 Rango de frecuencia de los dataloggers Loadsensing

Gracias al radio de largo alcance que incluyen, los dataloggers de Loadsensing pueden incluso instalarse dentro de cubiertas protectoras de las placas de anclaje, similar a la instalación dentro de un registro de sanitario. Con este rango de radio, una Gateway también puede recibir lecturas de dataloggers de varios muros de retención con anclas, al mismo tiempo, lo que permite la optimización de la gestión de monitoreo de una obra completa.

  1. Estación de gestión de datos (Gateway)

Los Gateways o estación de gestión de datos son el enlace entre los dataloggers y el internet.

Los dataloggers se comunican con la Gateway a través de radiofrecuencias mediante la tecnología LoRa de largo alcance y baja potencia. Las Gateways puede comunicarse con Internet a través de cables Ethernet o mediante Internet móvil.

Las Gateways reciben los mensajes de radio emitidos por los diferentes dataloggers que leen las celdas de carga u otros sensores. Usan un módem 3G (HSDPA, EDGE, GPRS) que puede conectarse fácilmente a Internet con la instalación de una tarjeta SIM de datos. También tienen una antena GPS.

Las Gateways son el único elemento de la red de monitoreo que requieren de energía externa. Dado el largo alcance de la radio, las puertas de enlace pueden instalarse en un punto con una conexión eléctrica. En estos casos, la puerta de enlace se alimenta mediante el cable Ethernet (PoE) a 48 VDC. Cada Gateway tiene un inyector de energía/interneth PoE con un voltaje de entrada de 100 a 240 VAC. También se pueden alimentar con un kit solar; tiene un consumo nominal de 3 W y puede alimentarse con una corriente continua de 11 a 30 Voltios.

gateways monitoreo estructuras

 

Figura 10 Gateways instaladas en postes y losas de concreto.

  • Software de visualización, gestión y análisis de datos.

Para monitorear de manera efectiva la carga de tensión de los anclajes, contamos con un software o aplicación web/móvil de visualización y gestión que puede alertar a las partes interesadas si se exceden los umbrales de medición en cualquier momento y desde cualquier dispositivo con acceso a internet (e.j. computadora, laptop, celular o tablet). Con esta aplicación se puede tener acceso en cualquier momento a la información de los datos registrados en tiempo real, capacidad de configuración de gráficos, aplicación de fórmulas, entre otras ventajas, así como gestionar el proyecto desde diferentes perfiles de acceso.

 

Figura 11 Muestra de pantallas del software de visualización (configuración gráfica y lecturas de mapas) en una computadora de escritorio, tableta y teléfono móvil

Nuestro software de visualización y análisis de datos es autoconfigurable, personalizable y cuenta con un servidor web o nube para almacenar y procesar los datos recibidos desde la Gateway.  Además, cuenta con la capacidad de poder crear informes de monitoreo periódicos, lo cual es una ventaja para comparar las lecturas de la carga de tensión de un sistema de anclaje a lo largo del tiempo.

En un servicio de monitoreo de anclaje, el software de visualización tiene la capacidad de generar alertas cuando la carga de tensión alcance ciertos umbrales que se consideren críticos para la toma de decisiones oportuna y, en el caso de que se rebasen los umbrales tiene la capacidad de generar señales de alarma, las cuales se harán saber mediante notificaciones por correo electrónico o mensajes de texto.

monitoreo remoto terzaghi

 

Figura 12 Vista de monitoreo remoto de la evolución de las cargas de tensión en un sistema de anclajes.

El software de visualización y gestión puede alertar a las partes interesadas y a las partes si se superan los umbrales, proporcionar a los usuarios información de datos en tiempo real y gráficos configurables, aplicar fórmulas de datos y gestionar diferentes perfiles de acceso.


Evita fallas y perdidas catástroficas


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