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Casos prácticos para la aplicación de nuevas tecnologías en la monitorización de estructuras en edificios históricos

Introducción

 

El uso de la monitorización estructural se ha extendido recientemente gracias a la introducción de nuevos materiales y soluciones constructivas novedosas, pero consideramos de particular interés ver sus aplicaciones en la conservación de edificios históricos debido a la riqueza del Patrimonio Cultural en España.

El estudio más completo sobre el impacto del patrimonio cultural es el que publica la Fundación Caja Madrid, que dispone de datos consolidados desde 2004, ése año se invirtieron 1900 millones en acciones de conservación de patrimonio. Aunque dada la situación económica es difícil de evaluar cómo se mantendrá tal nivel de inversión en 2012 y años consecutivos.

Aunque no existen estudios rigurosos recientes del alcance económico real del sector del turismo cultural, es evidente que se trata de un sector económico con una gran capacidad de generación de riqueza. Algunos estudios estiman que es aproximadamente el 1% del PIB Español.

Seguramente en la situación actual las acciones de conservación de patrimonio van a ver reducido el nivel de inversión, pero al  tratarse de un gran activo cultural y económico, la innovación y el hacer más con menos se hace imprescindible. Una vía de innovación se encuentra en las técnicas de monitorización de la salud estructural.

La monitorización de las estructuras permite la detección de fallos durante la ejecución de las obras, y por consiguiente aumenta la Seguridad Estructural de las mismas y reduce los costes de ejecución por permitir decidir una intervención temprana.

Para la monitorización de las estructuras se usan sistemas de adquisición de datos que registran parámetros de distinto tipo cómo las deformaciones o esfuerzos presentes en la estructura, vibraciones o variaciones ambientales (temperatura, dirección del viento, etc.). Los datos son procesados in-situ o en un centro de cálculo para determinar la salud mecánica y el estado de conservación de la misma.  Actualmente existen diferentes técnicas de medida de los parámetros entre las cuales se encuentran sistemas distribuidos e inalámbricos y  los novedosos sensores basados en fibra óptica.

Existe también una tendencia hacia la monitorización en continuo, y a la reducción del cableado debido a que cada vez se monitorizan más y más parámetros. El almacenamiento y tratamiento de tal cantidad de datos representa un reto para la infraestructura de comunicaciones y el software de procesado.

Debido a las necesidades técnicas, los sistemas deben basarse en plataformas de monitorización o adquisición de datos de alto rendimiento que permiten el análisis de datos en tiempo real y tengan la capacidad de acceso remoto (telegestión) en los casos en que la localización sea de difícil acceso. A continuación se introducen las tecnologías de última generación en las que las plataformas de National Instruments se basan y sus implementaciones.

 

Plataformas para la monitorización estructural

 

En función de los parámetros a medir y las especificaciones de la estructura o monumento a monitorizar National Instruments dispone de factores de forma diferenciados (ver figura1). El factor diferenciador se encuentra en el concepto de plataforma integrada de Diseño Gráfico de Sistemas que permite integrar todas las tecnologías bajo una misma herramienta software: NI LabVIEW.

Para aplicaciones en las que se requieran medir un gran número de parámetros de magnitudes dinámicas o gran capacidad de procesado en línea tanto para ensayos en campo cómo medidas en continuo la plataforma PXI es la que ofrece mejores prestaciones. PXI es una plataforma basada en el bus PCI/PCIe optimizada para aplicaciones de alto rendimiento en ambientes dónde los PC convencionales no pueden operar. 

Para sistemas de monitorización en continuo en ambientes “duros” y con necesidades de cálculo menos exigentes, la plataforma de adquisición embebida NI CompactRIO es ideal.  Los sistemas NI CompactRIO usan módulos de entrada y salida (Módulos de la Serie C) listos para conectar directamente los sensores más comunes. Además  disponen de un controlador determinista para cálculos embebidos en línea y conectividad mediante tecnologías estándar a Internet.

En el caso de tener que monitorizar grandes estructuras en las que se tengan que distribuir los nodos se pueden utilizar distintas unidades distribuidas de NI CompactRIO y/o PXI sincronizadas entre ellas o recurrir a plataformas a baterías basadas en protocolos Inalámbricos (Zigbee) cómo los Módulos de Sensores Inalámbricos NI WSN. 

Para sistemas de prueba en campo se requiere de equipos con una cantidad de canales moderada y capacidad Plug&Play así cómo conexión USB. La plataforma NI CompactDAQ usa los módulos de la serie C, al igual que NI CompactRIO, pero permite trabajar en un PC con conexión USB.

El software es otro componente crítico de los sistemas de monitorización estructural tanto para los ensayos de campo como las monitorizaciones en continuo. Dependiendo de las necesidades que se requieren en cuanto al registro, procesado en tiempo real, transmisión, visualización y/o post-procesado de datos podremos escoger entre un mero software de registro de datos o el desarrollo de una aplicación completa.

NI LabVIEW es un entorno de Diseño Gráfico de Sistemas y lenguaje de programación estandarizado en la industria que permite programar aplicaciones de forma gráfica. Comparada con los lenguajes tradicionales, la programación gráfica permite una curva de aprendizaje más corta  y ofrece alto rendimiento para el procesado en paralelo de grandes volúmenes de datos.

 

Tecnología de Sensores Basados en Fibra Óptica

 

La fibra óptica en el campo de la monitorización ofrece las siguientes ventajas:

• Inmune a EMI, no conductor, eléctricamente pasivo

• Muy pequeño y ligero

• Medidas distribuidas a través de distancias largas (más de 10 km)

• Transmisión en daisy-chain de multitud de sensores (de varios tipos) sobre una sola fibra

National Instruments dispone de un Interrogador Óptico en la plataforma PXIe, modelo PIXe-4844. Dispone de 4 Canales Ópticos, con un rango de espectro de amplitud de onda de 1520-1590 nm y velocidad muestreo 10 Hz. 

 

Monitorización salud estructural durante restauración il Duomo

 

Un ejemplo de un sistema de monitorización integrado en condiciones hostiles por Fibra Óptica es el control de alta sensibilidad de deformaciones durante el proceso de restauración de la catedral de Milán (il Duomo).

il Duomo es uno de los monumentos más importantes de Italia y la cúpula una de sus partes más delicadas. La restauración puede producir efectos colaterales que pongan en riesgo la estructura por lo que los ingenieros de la Universidad Politécnica de Milán decidieron implementar un sistema de medición de deformaciones online de alta sensibilidad. Se decidió instrumentar los pilares de la cúpula con galgas extensiométricas tipo Red de Bragg sobre Fibra Óptica (FBG) que junto con sensores convencionales permitió medir todos los parámetros claves en la estructura a través der un sistema PXI en Tiempo Real.

El módulo NI PXIe-4844 (interrogador sensor óptico) adquiere los datos de fibra óptica de las bandas extensiométricas y proporciona información precisa, sensible, estable e inmune a cualquier efecto medioambiental

El procesamiento en línea y determinista permite alta fiabilidad al asegurar un funcionamiento seguro durante la restauración de la cúpula de la catedral y proteger la estructura y el personal trabajando en la restauración.

 

Tecnologías Inalámbricas y de Sincronización

 

Dependiendo de la estructura a monitorizar se puede optar por una estrategia de adquisición de datos centralizada, distribuida o a través de fibra óptica. Generalmente en las aplicaciones de monitorización de grandes estructuras se opta por arquitecturas distribuidas inalámbricas (cómo los NI WSN) o de fibra óptica para evitar que las grandes distancias deterioren la señal.

En el caso de las arquitecturas distribuidas cobra gran importancia las tecnologías de temporización y sincronización que permiten la correlación o coordinación de varios eventos que ocurren en un sistema, en el caso que nos ocupa serían los datos. 

Los parámetros a considerar son la precisión de la sincronización (en mili o microsegundos) y la distancia entre los distintos nodos, ya que a medida que ésta crece es más difícil mantener sincronizados los sistemas.

Monitorizar la salud estructural puede implicar un gran número de sensores distribuidos en un área amplia. Un sistema de medida distribuida que utiliza múltiples dispositivos de adquisición de datos en red, cada uno conectado a un conjunto de sensores, puede reducir drásticamente la cantidad de cableado del sensor y simplificar enormemente la instalación. Aunque la mayoría de las redes de comunicación no ofrecen estas capacidades de sincronización, los sistemas más avanzados pueden utilizar comunicaciones GPS o las nuevas tecnologías de red determinista basadas en software de sincronización que son clave para un sistema de monitorización estructural. Debido a que las estructuras monitorizadas, tales como puentes, por lo general no incluyen comunicaciones o infraestructura de red, es conveniente que el sistema tenga integrado un sistema de comunicación. Los métodos más populares para las comunicaciones remotas en la actualidad incluyen Wi-Fi (en caso de que un PC se encuentra cerca) o de datos móviles (tales como CDMA, GSM / GPRS, EDGE, y otros). Otras opciones incluyen comunicaciones vía radio de largo alcance propietarias o comunicaciones por satélite.

NI LabVIEW permite también el acceso remoto a los datos mediante el desarrollo de interfaces Web usando el Web Server nativo y el LabVIEW Web UI Builder que permite el acceso a datos de aplicaciones LabVIEW gracias a la publicación de servicios Web. Todo ello tanto en aplicaciones basadas en PC cómo en plataformas embebidas en tiempo real (NI CompactRIO). NI LabVIEW también da acceso al NI Technical Data Cloud, un servicio Online basado en la nube que permite almacenar los datos y acceder a ellos desde múltiples localizaciones. Mediante la aplicación Data Dashboard para iPhone y Android permite visualizar en una Tableta los datos almacenados en el Data Cloud o datos en tiempo real de aplicaciones de NI LabVIEW. 

 

Conservación del Patrimonio Románico en Castilla y León 

 

Un ejemplo de aplicación de esta estrategia de adquisición distribuida se encuentra en el sistema de monitorización del monumento de Santa María La Real conjuntamente con la empresa Opidis.

El Monasterio de Santa María la Real es una antigua abadía de la orden Premonstratense situada en la localidad de Aguilar de Campo, provincia de Palencia, comunidad de Castilla y León, España. Monumento construido entre los siglos XII y XIII en un estilo de transición del románico al gótico, en la actualidad acoge las sedes de la Fundación Santa María la Real-Centro de Estudios del Románico y del Museo ROM: Románico y Territorio. Es Bien de Interés Cultural (BIC) con categoría de Monumento Histórico-Artístico Nacional. Dentro de las acciones de conservación de patrimonio cultural de la Fundación Santa María la Real y conjuntamente con la empresa Opidis, se desarrolló un sistema para la monitorización del monumento histórico para la conservación y prevención del deterioro del monumento por la acción medioambiental y del hombre.

Mediante la plataforma de adquisición de datos inalámbrica WSN, se monitorizan condiciones medioambientales y el comportamiento de la estructura

• Medición de la temperatura y la humedad relativa del aire en 17 puntos dentro de la nave de la iglesia

• Medición de la temperatura y la humedad relativa del aire en un punto del exterior de la iglesia

• Adquisición de datos de una estación meteorológica compacta ubicada en la parte superior de la iglesia

• Medición en un punto de las vibraciones de la estructura de la iglesia

Gracias a  la versatilidad y la flexibilidad de los equipos, Opidis pudo integrar una gran diversidad de sensores y permitió elegir la localización de los equipos de medida. El Control inteligente de los equipos de medida utilizando NI LabVIEW, además permitió optimizar el consumo energético del sistema  y reducir la carga computacional. 

 

Conclusiones

 

En Conclusión, la conservación de patrimonio histórico es una actividad que reporta beneficios a nivel económico y cultural. Para la correcta planificación de las actuaciones se requiere de sistemas de monitorización o adquisición de datos que proporcionen información detallada sobre el estado real de las estructuras.  

En la actualidad existen plataformas software y hardware integradas, basadas en NI LabVIEW, que permiten implementar sistemas de monitorización del patrimonio cultural a muy bajo nivel de detalle, gracias a una alta densidad de canales, y distribuidas a lo largo de grandes estructuras o extensiones de territorio gracias a las tecnologías de sincronización, por ejemplo por GPS o sensores basados en fibra óptica,  y telegestión (integración con Web).

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