MONITOREO-ESTRUCTURAL

Monitoreo de la salud estructural de una planta de Cemento en la Huasteca Potosina.

Sistema inteligente de monitoreo estructural Terzaghi®  

By Héctor de la Fuente & Héctor Jiménez.

Todas las construcciones y obras tienen un periodo de vida útil de diseño, típicamente la normatividad establece un periodo de 50 años. Transcurrido este tiempo, se requiere realizar una evaluación de la salud estructural, para determinar si la estructura cumple con los requisitos de seguridad para los que fueron diseñados; sin embargo, esta evaluación es puntual, por lo que es importante combinarla con un sistema inteligente de monitoreo, integrado por diferentes tipos de sensores, que nos proporcionen datos sobre el comportamiento estructural de la edificación.

Las fallas más comunes en estructuras metálicas pueden ocurrir principalmente por pandeo de las vigas y armaduras. Por lo que es vital conocer en tiempo real las deformaciones que sufren éstos elementos.

En este caso de éxito empleamos el sistema inteligente de monitoreo estructural Terzaghi®, que maneja una tasa de muestreo inalámbrico, el cual permite la lectura automática y en tiempo real de los indicadores de deformación las 24 horas del día, los 365 días del año. También podemos definir alarmas que “avisan” con tiempo suficiente si algún elemento tiene un comportamiento no adecuado, minimizando el riesgo de pérdidas humanas. Este sistema de monitoreo inteligente de salud estructural Terzaghi® forma parte de la cultura de la prevención de desastres.

En este blog narramos como nuestro monitoreo Terzaghi®, colabora en la toma de decisiones estructurales estratégicas que previenen fallas catastróficas, para una planta cementera en la Huasteca Potosina, la cual cuenta con más de 50 años de operatividad.

Condiciones estructurales.

La  nave cuenta con dimensiones de 23m de ancho y 100m de longitud, equipada con dos grúas viajeras en su interior que están soportadas por una superestructura de concreto reforzado; la  techumbre es a base de estructura de acero y laminas.

El objetivo a monitorear es la cubierta del patio de materiales, siendo esta uno de los elementos más vulnerables de la instalación, debido a la gran cantidad de sedimentos que se depositan en ellas, la exposición constante a las vibraciones generadas por las grúas, acciones accidentales y su propia edad.

 

Figura 1 Sedimentos acumulados sobre los elementos estructurales.

Instalación de la instrumentación.

La instrumentación actual consta de seis Tiltmeters biaxiales (inclinómetros) y una Gateway (receptor de datos) de la marca Loadsensing®. Los Tilmeters se colocaron en los puntos estratégicos de las armaduras del techo, siendo este el objetivo a monitorear ver Figura 2 y 3; la Gateway se instaló a una distancia aproximada de 80 m sobre el cuarto de trituración, para que este recopile las lecturas que los Tilmeter envían inalámbricamente mediante tecnología LoRa (Radio de largo alcance). Esta información es reunida en la Gateway, que se encarga de subirla a la “Nube” donde la información es representada en una forma legible, como se observan en las (Figura 4). El procedimiento de instalación se llevó a cabo en un tiempo de 3 días efectivos, sin interrupciones en la producción de la planta.

 

Figura 2 Localización de los Tiltmeters.

 

Figura 3 Instalación de Tilmeter.

 

Figura 4 Gateway instalada sobre el cuarto de trituración.


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Visualización y monitoreo.

La tecnología Terzaghi® permite ver en tiempo real y registrar el comportamiento de la estructura, el cual podemos visualizar de la manera muy sencilla en gráficos mediante el uso de una interfaz de visualización muy amigable para el usuario (Figura 5).

En dicha interfaz se visualizan los datos que proporciona cada sensor, estos en tres diferentes formas: “vista en tiempo real” en la cual podemos ver el lugar donde se colocó el sensor sobre una imagen representativa de las infraestructura, así como el valor que hasta el momento tenga cada sensor (Figura 6).”Mapa del sitio” esta es una visualización satelital del sitio donde se pueden observar el lugar donde fueron colocados los sensores con sus respectivas coordenadas (Figura 7.”Dashboard o tablero de instrumentos” en esta opción podemos ver de forma gráfica el comportamiento de la estructura respecto al tiempo trascurrido desde su instalación, entre otros datos como el estado de salud del sensor y la temperatura ambiente del sitio (Figura 8). Otro punto muy importante es que el usuario puede definir un umbral el cual nos permite activar una alarma; en caso de que este sea rebasado se activaría notificando a las personas interesadas por medio de mensajes SMS y correos electrónicos haciendo un recordatoria cada intervalo de tiempo (definido por el usuario) hasta que la alerta sea atendida.

 

Figura 5 Página de inicio de sección de la interfaz.

 

Figura 6 Visualización en tiempo real.

 

Figura 7 Mapa del sitio.

 

Figura 8 Dashboard (Tablero de instrumentos).

Conclusiones

La cultura de prevención es fundamental para salvaguardar la integridad física del ser humano por lo que la relación costo-beneficio esta por encima de otros sistemas de monitoreo llegando a tener hasta un 70% de ahorro.

El sistema Terzaghi® ofrece un monitoreo en tiempo real las 24 hrs, el cual nos ayuda a prevenir de una catástrofe dando avisos de algún comportamiento inusual en las estructuras mediante alarmas, también permite al usurario acceder a las métricas en todo momento en cualquier dispositivo electrónico; detecta la ubicación exacta de cada sensor, su lectura en tiempo real y su historial.

Este es un sistema que permite acceso a cualquier tipo de obra de forma remota, lo que elimina la complejidad de traslados a sitio de obra, cubre grandes extensiones, no requiere de caleado. 

Referencias

NTCC, RCDF. (2017). Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal


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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).


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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.

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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.


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Monitoreo Inteligente de salud estructural en infraestructuras

¿Qué es y para qué sirve?

By Geovani García & Héctor de la Fuente

INTRODUCCIÓN

En México, más del 60 % de la infraestructura vial cuenta con más de 60 años de servicio por lo que la vida útil para la cual fueron diseñadas ha sido sobrepasado. Las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal (NTCC, RCDF) establecen que las estructuras deben tener una vida útil de 50 años.

La información recabada en un sistema de monitoreo estructural ofrece múltiples ventajas; la emisión de alertas tempranas asociadas a patologías estructurales como daños internos o externos de la misma, la planeación de programas de mantenimiento, la optimización de los recursos económicos y humanos en estas actividades y la seguridad de los usuarios de la infraestructura, entre otros.

Cuando los registros de un sistema de monitoreo se obtienen permanentemente, a distancia, en tiempo real y se analizan e interpretan de forma automática, se considera un monitoreo inteligente de salud estructural.

Ahora es posible informar a los ocupantes de una edificación –minutos después de ocurrido un evento– si ésta es segura, para evitar desalojos innecesarios. Así mismo, sirve como una fuerte herramienta para verificar las distintas condiciones de los sistemas estructurales en su proceso de construcción.

¿QUÉ ES EL MONITOREO DE SALUD ESTRUCTURAL?

El término “Monitoreo de la salud estructural” (SHM, por sus siglas en inglés) es un estándar reciente que ha surgido de un conjunto de otros términos, como monitoreo estructural o simplemente monitoreo. SHM de infraestructuras civiles es un requisito legal en la mayoría de los países desarrollados; en el Reino Unido, por ejemplo, las presas deben ser monitoreadas continuamente mediante la recopilación de datos operativos por parte de un ingeniero supervisor. El SHM para puentes comenzó a usarse alrededor de la década de 1950, cuando la Universidad de Washington comenzó a medir el rendimiento del puente Tacoma Narrows. Hoy en día, la mayoría de los grandes puentes cuentan con algún tipo de programa de SHM. Un desafío importante en el desarrollo de programas o estrategias de Monitoreo de la Salud Estructural es que cada pieza de infraestructura es única, lo que significa que no existe una medida oficial para el desempeño estructural ‘normal’ o la ‘buena salud estructural’.

Para entenderlo mejor tomemos el siguiente ejemplo: Un doctor sospecha que su paciente tiene hipertensión. Para diagnosticarlo le pedirá hacerse un holter de presión arterial. Este examen permite el monitoreo ambulatorio de la presión arterial gracias a un manómetro portátil que registra las variaciones de presión. Con esta información el doctor puede prescribir a la persona los medicamentos adecuados y evitar que la enfermedad se vuelva grave.

¿PARA QUÉ SIRVE EL MONITOREO DE SALUD ESTRUCTURAL?

  • Monitorear de forma permanente y personalizada cada estructura.
  • Brindar información en tiempo real de la integridad de la estructura monitoreada.
  • Reducir costos de reparación y mantenimiento mediante la detección temprana de posibles daños estructurales.
  • Reducir riesgos estructurales.
  • Valorización por inversión en caso de los bienes raíces.
  • Dar cumplimiento del reglamento de la normatividad vigente.
  • Aumentar la vida útil a través de la posibilidad de realizar mantenimiento preventivo por demanda.
  • Mejorar condiciones para la negociación de las primas de aseguramiento.
  • Ayudar a la administración pública permitiéndoles una mejor distribución recursos en caso de emergencia
  • Seguimiento a estructuras nuevas o que se encuentran en construcción determinando su comportamiento y desempeño estructural se encuentra dentro de los parámetros de diseño.

¿CÓMO FUNCIONA EL MONITOREO DE SALUD ESTRUCTURAL?

Los alcances y la configuración de un sistema de monitoreo de salud estructural deben diseñarse para cada estructura con apego a la variable de inspección que definirá el comportamiento de la estructura, y con ello, poder instalar los instrumentos en puntos estratégicos de la estructura donde se logrará percibir el comportamiento de interés.

Normalmente, en estructuras como puentes los posibles daños siempre están encaminados a las deformaciones excesivas de los materiales, debido al fenómeno de fatiga, la cual repercute en la disminución de su resistencia y comportamiento. Así pues, con la instalación de sensores ubicados estratégicamente se logra visualizar en una plataforma el estado en el que se encuentran. La plataforma permitirá de forma fácil y amigable acceder a la información a lo largo del tiempo desde el inicio del monitoreo, analizar el comportamiento durante algún evento y monitorear el proceso natural de deformación de la estructura.

El monitoreo al ser implementado a distancia y en tiempo real, reduce costos de inspección y tiempo de alerta. De igual forma, es una herramienta útil para diferentes públicos, tanto del sector público como del sector privado, así mismo como del sector de la construcción durante la ejecución de las obras.

Monitoreo de salud estructural de un edificio antiguo

 

Figura 1 Monitoreo de salud estructural de un edificio antiguo.

 


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EL COLAPSO DE LA LÍNEA 12 DEL METRO Y QUÉ SIGNIFICA PARA EL MANTENIMIENTO DE ESTRUCTURAS “VIEJAS”

Dado que los puentes estructuralmente defectuosos, las presas inseguras y los edificios “envejecidos” se están convirtiendo en problemas cada vez más comunes, el monitoreo de dichas estructuras se ha puesto al frente de muchas agendas políticas. El reciente y trágico colapso del puente de la Línea 12 de metro de la Ciudad de México el 3 de marzo de 2021 apunta a la continua necesidad de introducir mejores sistemas de monitoreo de infraestructura crítica, y en particular en aquellas que son antiguas, con el fin de reducir los riesgos significativos para la vida humana. El colapso del puente de la Línea 12 ocurrió cuando una de las vigas del puente falló súbitamente. La atención ahora se centra en las hipótesis de que fue un mal diseño o un mal proceso constructivo, y hay sugerencias de que las preocupaciones sobre su integridad y seguridad se remontan desde su inauguración en el 2012, ya que a partir de ella se habían presentado problemas técnicos y estructurales que provocaron cierres parciales.

Muchos también están especulando sobre cómo el colapso se encuentra dentro del contexto más amplio no solo del puente de la Línea 12 sino también en la del resto del resto del país.

¿Cómo funciona hoy el ciclo de mantenimiento de la infraestructura del puente?

El mantenimiento de la infraestructura de puentes actual presenta muchos desafíos. El personal de ingeniería y mantenimiento de transporte debe brindar un servicio de 24 horas a millones de personas cada año, al mismo tiempo que mantiene millones de metros cúbicos de concreto distribuidos por sus instalaciones, incluidos los puentes. Hasta hace poco, solo existía un número limitado de técnicas precisas y económicas para probar estas estructuras y todas necesitaban la presencia física de expertos in situ. Estas técnicas manuales se utilizaron, y todavía se utilizan, para garantizar la integridad y seguridad de la infraestructura al mismo tiempo que se asegura que cumpla con las especificaciones de diseño originales. La mayoría de las veces, estas técnicas son ineficientes, peligrosas, riesgosas y costosas.

¿Qué se puede hacer para mantener mejor la infraestructura crítica?

Implementar un sistema de monitoreo inalámbrico basado en tecnología IoT.

Los métodos tradicionales de monitoreo de infraestructura crítica como visual, cable, fibra óptica y topografía son costosos, inflexibles y rara vez permiten el monitoreo inalámbrico.

JMW Brownjohn, un académico experto en Monitoreo de la Salud Estructural para la infraestructura civil, destaca que “la efectividad de los programas de mantenimiento e inspección [para la infraestructura civil] es tan buena como su capacidad oportuna para revelar el desempeño problemático”, explicando el movimiento hacia sistemas de seguimiento. Los sistemas de monitoreo inalámbrico de IoT, que han surgido recientemente, tienen numerosos beneficios y, en teoría, deberían evitar que ocurran desastres como el colapso del puente de la Línea 12. Se pueden instalar en ubicaciones remotas sin infraestructura fija y tienen el alcance necesario para permitir el monitoreo remoto en tiempo real porque se ejecutan en redes LPWAN como LoRa.

LPWAN significa red de área amplia de baja potencia; es un tipo de red de área amplia de telecomunicaciones inalámbricas que está diseñada para comunicaciones de largo alcance a una tasa de bits baja entre dispositivos o «cosas» (de ahí el «Internet de las cosas»), como sensores que funcionan con baterías.

Este monitoreo en tiempo real permite a las autoridades y a los operadores de carreteras y puentes del sector privado construir un conjunto de datos acumulado a lo largo del tiempo, lo que les brinda información precisa y en tiempo real sobre qué tan seguro es el puente y cuánto necesita mantenimiento. Esto significa que los operadores de carreteras pueden implementar mantenimiento o evacuar y bloquear el área antes de que ocurra cualquier incidente. Esto optimiza el ciclo de mantenimiento a largo plazo y mejora la planificación estratégica. Con la ayuda de sistemas inalámbricos basados en tecnología IoT, los operadores de carreteras pueden, por lo tanto, reaccionar muy rápidamente ante cualquier anomalía, ayudando a prevenir problemas repentinos, como un colapso, y ahorrando dinero a largo plazo en los daños más graves y el tiempo de inactividad prolongado causado. por incidentes.

 

Figura 2 Monitoreo de salud estructural de puentes.

Un proyecto donde se implementa el monitoreo inalámbrico avanzado en un puente

El monitoreo de la infraestructura inalámbrica basado en redes, sensores y software de IoT es la nueva frontera de SHM, ya que no solo ofrece los datos necesarios en tiempo real, sino también agregación y transmisión de datos remotos, de largo alcance y de baja potencia. Por ejemplo, la remodelación del puente Cisomang en Indonesia se llevó a cabo porque comenzaron a aparecer grietas y los pilares se deformaron gradualmente. Se demostró que el puente era inestable y se prohibió el paso de camiones. Finalmente, los operadores del puente decidieron que se necesitaba un sistema de monitoreo inalámbrico a largo plazo: para ello se utilizaron los equipos de comunicación de Loadsensing para recopilar la información de medidores de deformación instalados en el concreto de elementos estructurales.

La inversión en monitoreo inalámbrico aquí fue acertada, pero quizás un poco tarde.

Si el equipo operativo del puente hubiera monitoreado el puente desde el principio, los problemas estructurales podrían haberse marcado antes y arreglados, eliminando la necesidad de poner en riesgo la vida de las personas y detener el tránsito. Esta decisión tardía tuvo enormes costos: los problemas estructurales que ocurrieron tuvieron un impacto muy negativo en la logística general del país y, por lo tanto, en la economía porque el puente proporcionaba una ruta vital desde Yakarta a Bandung, una de las ciudades más importantes del país.

CONCLUSIÓN

En el caso de la falla del puente de la Línea 12 de metro de la Ciudad de México, es posible que ningún sistema de mantenimiento o monitoreo hubiera evitado un eventual colapso. Es posible que uno de esos sistemas haya salvado vidas al permitir que las autoridades cierren el puente con suficiente antelación a que ocurra el colapso, pero en última instancia, un buen diseño y una elección de materiales bien pensados son cruciales para garantizar que la infraestructura sea segura y duradera. Los sistemas de monitoreo inalámbricos emergentes basados en tecnologías de IoT pueden ayudar con esto último, lo que permite a los operadores evaluar si un puente debe reconstruirse con una perspectiva a largo plazo o no, a través de datos acumulados. También se pueden utilizar para asegurarse de que el proceso de construcción y mantenimiento en sí sea seguro y sin problemas.


Evita fallas y perdidas catástroficas