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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.

 


Evita fallas y perdidas catástroficas


 

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.


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