Con los avances recientes en la tecnología, se han desarrollado e implementado sistemas de de sensores para monitoreo de salud estructural (SHM) en varias estructuras civiles como puentes, edificios, túneles, centrales eléctricas y presas. Se han desarrollado muchos tipos avanzados de sensores, desde sensores cableados hasta sensores inalámbricos, para monitorear continuamente el estado estructural a través de la recolección de datos en tiempo real. Sin embargo, todavía hay una gran cantidad de preguntas asociadas con el uso de sensores SHM.
Para diseñar un sistema SHM, una de las misiones críticas es descubrir cómo determinar un tipo apropiado de sensor que pueda cumplir eficientemente con los alcances del sistema de detección diseñado. Este artículo tiene como objetivo presentar una breve revisión de diferentes tipos de sensores para el monitoreo de la salud estructural. y evaluación del estado de las estructuras en tiempo real.
Sensores inteligentes para el monitoreo de la salud estructural
El monitoreo de la salud estructural depende en gran medida de la recopilación de mediciones precisas y de alta calidad en tiempo real de la condición de los elementos estructurales, comunicando esta información con el sistema de control y señalando las advertencias necesarias si alguna vez se observa un patrón irregular. Los sensores para el monitoreo de la salud estructural están diseñados para facilitar el proceso de monitoreo y habilitar a los ingenieros de mantenimiento con herramientas para la toma de decisiones, que garantizarán la seguridad de la instalación y del público.
Un sistema de monitoreo de salud típico está compuesto por una red de sensores que son responsables de medir diferentes parámetros relevantes para el estado actual de la estructura, así como su entorno circundante, como estrés, deformación, vibración, inclinación, humedad y temperatura. Los últimos avances en la investigación sobre tecnología de sensores para el monitoreo de la salud estructural han dado como resultado varios tipos de sensores SHM. A continuación se proporciona una breve revisión de los sensores SHM más utilizados para el monitoreo estructural.
1. Sensores de fibra óptica
Los sensores de fibra óptica han experimentado un gran desarrollo en los últimos años. En ingeniería civil, estos sensores se pueden utilizar para medir diferentes parámetros. Los ejemplos incluyen deformaciones, desplazamientos estructurales, frecuencias de vibraciones, aceleración, presión, temperatura y humedad. El seguimiento de la estructura puede ser local o global. El enfoque del enfoque local está en el comportamiento material, mientras que el enfoque global se atribuye al seguimiento de todo el rendimiento estructural. Los sensores de fibra óptica se han probado para diferentes aplicaciones, como la monitorización de deformaciones de componentes de hormigón en un puente [ Webb et al 2017 ].
2. Acelerómetro para monitoreo de salud estructural
Un acelerómetro es un dispositivo electromecánico que se utiliza para medir las fuerzas de aceleración en direcciones de uno o varios ejes. Tales fuerzas pueden ser estáticas, como la fuerza continua de la gravedad sobre los componentes estructurales, o dinámicas para detectar movimientos o vibraciones, como cuando un camión cruza un puente. La aplicación de acelerómetros se extiende a múltiples disciplinas, desde teléfonos inteligentes hasta maquinaria rotativa e infraestructura civil.
En el contexto del monitoreo estructural, los acelerómetros se pueden usar para monitorear en tiempo real las variaciones de las características dinámicas estructurales debido a daños o cambios en el desempeño estructural [ Lin et al 2015 ]. Los modelos de acelerómetros multieje se utilizan principalmente para detectar la magnitud y la dirección de la aceleración adecuada . Los acelerómetros también tienen un amplio uso en construcciones donde existe la necesidad de controlar el comportamiento dinámico de la estructura, ya sea a corto o largo plazo [ Hashad 2018].
En aplicaciones estructurales, la medición y el registro del comportamiento dinámico de las estructuras es fundamental para evaluar su seguridad y viabilidad. Las cargas dinámicas pueden originarse a partir de una variedad de fuentes, como cargas de impacto (por ejemplo, caída de escombros), trabajos de construcción (por ejemplo, pilotes, demolición), cargas de tráfico, terremotos, etc.
Acelerómetro piezoeléctrico : Un acelerómetro piezoeléctrico es un acelerómetro que emplea el efecto piezoeléctrico de ciertos materiales (por ejemplo, el cuarzo) para generar carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Este tipo de transductores de vibración ofrecen una frecuencia y un rango dinámico muy amplios. Los dispositivos piezoeléctricos se utilizan ampliamente en diferentes industrias, entornos y aplicaciones, lo que permite medir los cambios dinámicos en las variables mecánicas que incluyen aceleración, impacto y vibración [ Leer más ].
3. Traductores de cuerda vibrante
Los sensores de cuerda vibrante son una clase de sensores que son muy populares para fines de monitoreo geotécnico y estructural. El componente principal del sensor de cuerda vibrante es un cable de acero tensado que vibra, cuando se lo golpea, a una frecuencia de resonancia que es proporcional a la tensión en el cable. Este mecanismo se utiliza para medir la tensión estática, la tensión, la presión, la inclinación y el desplazamiento a través de varias configuraciones de sensores.
Los sensores de cuerda vibrante funcionan según la frecuencia de resonancia resultante de la vibración, en lugar de la amplitud, para transmitir la señal; por lo tanto, estos sensores son relativamente resistentes a la degradación de la señal por ruido eléctrico, tramos largos de cables y otros cambios en la resistencia del cable. Tienen una estabilidad a largo plazo y un amplio uso para monitorear estructuras como presas, túneles, minas, puentes, cimientos, pilotes, taludes inestables y excavaciones [ Leer más ].
Vibratorias Wire Gauge Strain : vibratorias medidores de deformación de alambre son ampliamente utilizados para medir la deformación en acero o de hormigón armado. Se pueden incrustar fácilmente en hormigón para controlar la deformación en pilotes, cimientos, presas, túneles, etc. Los calibres soldables por arco son adecuados para soldar con arco a estructuras de acero como revestimientos de túneles, pilotes y puentes.
Transductor de desplazamiento de cuerda vibrante: Los transductores de desplazamiento de cuerda vibrante están diseñados básicamente para monitorear el movimiento a largo plazo en estructuras críticas. Estos sensores pueden medir pequeños desplazamientos a través de juntas y grietas en hormigón, roca, suelo y elementos estructurales. En esencia, el transductor está compuesto por un cable vibratorio conectado a un resorte de tensión. Cualquier desplazamiento de los elementos estructurales en las proximidades del sensor se acomoda mediante un estiramiento del resorte de tensión, que a su vez produce un aumento proporcional en la tensión del cable. Estos sensores se utilizan principalmente para medidas de ancho de fisuras, por ejemplo, en puentes y túneles [ Leer más ].
4. Transformador diferencial variable lineal (LVDT)
Un LVDT (transformador diferencial variable lineal) es un sensor electromecánico que se utiliza para medir el desplazamiento lineal. Se puede utilizar LVDT en las aplicaciones donde los desplazamientos a medir están evolucionando desde una fracción de mm a unos pocos cm. Los sensores LVDT se utilizan con frecuencia en aplicaciones de monitoreo estructural, como registrar el desplazamiento en miembros estructurales debido a cargas vivas y variaciones de temperatura [ Leer más ].
5. Celdas de carga
Una celda de carga es un tipo de transductor que se utiliza para convertir una fuerza mecánica como tensión, compresión, presión o par en una salida eléctrica medible. Esta salida cambia proporcionalmente a la fuerza aplicada a la celda de carga. Las células de carga se han empleado para una variedad de aplicaciones que exigen exactitud y precisión. Estos sensores se emplean en muchos edificios históricos, donde se han utilizado diversos materiales de construcción como piedra y ladrillo [ Ceravolo et al 2017 ].
6. Galgas extensiométricas en la monitorización de la salud estructural
El tipo más común de celdas de carga que se utilizan en el monitoreo estructural son las galgas extensométricas. Un medidor de tensión es un dispositivo que se utiliza para medir la tensión debida a la fuerza aplicada sobre un objeto. El tipo más común de galga extensométrica consiste en un respaldo flexible aislante que soporta un patrón de lámina metálica. El medidor se fija al objeto mediante un material adhesivo adecuado. Cuando se somete a fuerza, la lámina se deforma, lo que hace que cambie su resistencia eléctrica, que luego se puede medir. Estos sensores se utilizan con mayor frecuencia para monitorear la deformación en estructuras de acero y concreto reforzado [ Shahsavari et al 2019 ].
Roseta de galgas extensométricas: Una roseta de galgas extensométricas es un tipo de galgas extensométricas compuesto por dos o más galgas extensométricas que se colocan cerca para medir las deformaciones a lo largo de diferentes direcciones del componente bajo evaluación. El uso de múltiples galgas extensométricas permite una evaluación más precisa de la deformación en la superficie que se mide [ Shahsavari et al 2019 ].
7. Inclinómetro (indicador de pendiente)
Los inclinómetros (también conocidos como indicadores de pendiente) son instrumentos de precisión que se utilizan para monitorear los movimientos y deformaciones del subsuelo. Los inclinómetros están diseñados para medir la deformación horizontal del subsuelo en un pozo cuando la estabilidad del talud es una preocupación para taludes naturales, taludes construidos de desmonte / relleno y proyectos de terraplén profundo.
Un sistema de inclinómetro consta de dos componentes principales: carcasa del inclinómetro y sonda de medición del inclinómetro. La sonda de medición del inclinómetro se baja y se eleva a través de una carcasa de inclinómetro especial con ranuras maquinadas con precisión que controlan la orientación del sensor y proporcionan una superficie uniforme para las mediciones. Los inclinómetros generalmente se instalan en un pozo; sin embargo, también pueden enterrarse en una zanja (inclinómetros horizontales), fundirse en hormigón o adherirse a una estructura. Los inclinómetros se utilizan normalmente para:
- Determinar si los movimientos del subsuelo son constantes, acelerados o respondiendo a medidas correctivas.
- Verificar que las deformaciones del subsuelo estén dentro de los límites de diseño, que los puntales y anclajes funcionen como se espera y que los edificios vecinos no se vean afectados por los movimientos del suelo.
- Seguimiento de perfiles de asentamiento de terraplenes, cimentaciones y otros componentes estructurales (inclinómetro horizontal).