Monitorizando la salud estructural de edificios e infraestructuras

Las estructuras como los puentes, los edificios o las destinadas a infraestructuras de energía y telecomunicaciones juegan un papel fundamental en el desarrollo económico-social

y en general, en nuestras vidas, por lo que su conectividad digital será una necesidad en el nuevo modelo de comunicaciones impulsado por el Internet de las Cosas (IoT) y el 5G.

Entre toda la información que puede procesarse de las estructuras, ninguna tiene más valor económico y repercusión social que la asociada a su seguridad y mantenimiento, dada la función crítica que desempeñan y las tragedias que pueden ocasionar si colapsan. Además, se enfrentan a incertidumbres en relación con el Cambio Climático, pues debido a este se producen fenómenos adversos más frecuentes y agresivos, así como alteraciones que pueden repercutir en su proceso de envejecimiento, siendo este último un problema por sí mismo en Europa: se estima que en torno a un 35 % de los puentes de ferrocarril tiene más de 100 años.

Por otro lado, los métodos tradicionales de inspección de estructuras in situ tienen una alta componente subjetiva, que actualmente es mejorable gracias a la gran disponibilidad de equipos de medida para distintas variables físicas, ya sea de manera continua o puntual. Los registros tomados han de procesarse e interpretarse posteriormente usando técnicas avanzadas, como venimos haciendo en el área de infraestructuras de TECNALIA para estructuras de diversa naturaleza, siendo buenos ejemplos de este tipo de trabajos las evaluaciones estructurales por estudio de propiedades dinámicas y su comparativa con modelos computacionales avanzados que se realizaron en el Puente del Peligro en Getxo y en estructuras industriales de la planta de Vicinay en Sestao.

Tecnologías disruptivas

Por los aspectos comentados, y porque las inspecciones in situ son costosas, la Monitorización de la Salud Estructural (Structural Health Monitoring o SHM), entendida ya como el control continuo por medición, está adquiriendo cada vez mayor interés y relevancia en su solicitud como servicio, más o menos avanzado, con el interés añadido de su gran potencial de desarrollo futuro gracias a tecnologías disruptivas que impactarán en los tres niveles fundamentales del proceso:

• La captación de datos, permitiéndose técnica y económicamente la smartización de estructuras de cualquier tipo e importancia con la explosión del mercado de la sensórica IoT de relativo bajo coste y la implantación generalizada del 5G.
• El procesado e interpretación de los datos de manera desasistida, donde mediante las técnicas de Inteligencia Artificial, como los algoritmos de aprendizaje automático (machine learning) y profundo (deep learning), pueden lograrse diagnósticos fiables en tiempo cuasi real para predecir el comportamiento y estado de estructuras que no responden a un patrón fijo y que operan en entornos complejos, materializándose definitivamente la idea de Estructuras e Infraestructuras 4.0, por analogía a la cuarta revolución técnico-económica presente en entornos industriales controlados.
• La comunicación y presentación de los datos y resultados de forma que sea posible su uso eficaz para la toma de decisiones en remoto, siendo en este caso los gemelos digitales la evolución natural del BIM, permitiendo la contextualización de la información obtenida, que no tiene utilidad inmediata sin ubicarla en su realidad geométrica.

En el área de Building Technologies de TECNALIA, como ejemplo de iniciativa que se hace eco de todas estas nuevas tendencias para su aplicación a las estructuras de puentes, arrancó recientemente el proyecto ZUBIoT (financiado por la Agencia vasca de desarrollo empresarial SPRI a través del programa HAZITEK de apoyo a la I+D empresarial con referencia de proyecto ZL-2020/00902), en el que TECNALIA trabaja como centro tecnológico junto a las empresas RDT Ingenieros y DAIR Ingenieros en la “Integración de la monitorización estructural de puentes en el Internet de las Cosas con un gemelo digital”.

Tiene como objetivo democratizar la tecnología de SHM para puentes a un coste compatible con la explotación y el servicio generalizado de smartización de estos activos mediante su sensorización.

Asimismo, en el área de Infraestructuras han dado frutos recientes en esta línea otros proyectos en curso, destacando el europeo H2020 FORESEE (Grant Agreement No 769373) “Future proofing strategies FOr RESilient transport networks against Extreme Events”, liderado por el área de infraestructuras de TECNALIA: se han publicado investigaciones enfocadas a la creación de algoritmos automáticos de detección temprana de daño estructural, que es un aspecto fundamental en la resiliencia de infraestructuras, ya que todo planteamiento fiable al respecto debe partir de un conocimiento preciso del estado actualizado del activo o activos en consideración. En particular, destacamos los siguientes artículos de aplicación a casos reales:

• Vibration-Based SHM Strategy for a Real Time Alert System with Damage Location and Quantification.
• Bearing Assessment Tool for Longitudinal Bridge Performance

En cualquier caso, como en todo campo actual y en desarrollo, deben convivir dos perspectivas con sus distintos alcances y plazos: la de las iniciativas de I+D y la de las aplicaciones de ingeniería avanzada.

1. En la primera, hay un objetivo a medio y largo plazo donde se busca el ideal de automatización del proceso completo y la integración en un modelo unificado, extensible a cualquier estructura con el número mínimo de adaptaciones.
2. En la segunda, el objetivo es a corto plazo y las soluciones son a medida del caso de estudio, con un elevado nivel de intervención de un técnico experto apoyándose en los datos numéricos usando técnicas avanzadas, siendo necesario un diseño previo del plan de monitorización para cada estructura mediante modelos de cálculo específicos. A diferencia del sector industrial, las estructuras de construcción e ingeniería civil no son productos que respondan a una producción en serie, por lo que presentan una enorme variabilidad de características e incertidumbres de fabricación; como ocurre con los puentes y edificios, mientras que en otros casos enfrentan condiciones operativas complejas, como ocurre con las estructuras de aerogeneradores en tierra y offshore.

Podemos afirmar que la Monitorización de la Salud Estructural es un servicio con perfecto encaje y recorrido en esta nueva era digital, donde primará la conectividad no solo de las personas sino de los objetos físicos, siendo indiscutible la importancia de las infraestructuras de transporte y de las estructuras en general, afrontándose un horizonte cercano de completa funcionalidad operativa de las técnicas de control y seguimiento que hará posible la estandarización y economización del SHM.

En consecuencia, se hará rentable para su aplicación masiva, no solo a casos bajo pedido o de especial importancia, garantizándose de esta manera la integridad global de las estructuras de las que dependen actividades básicas de nuestra sociedad, así como nuestra propia seguridad, recabándose a su vez en el proceso grandes cantidades de datos organizados con enorme valor para un mejor conocimiento del funcionamiento y evolución de las estructuras a lo largo de su ciclo de vida.

Servirá de base para la mejora de las técnicas de construcción y diseño existentes.