Monitoreo de la Salud Estructural de Edificios por medio de Interferometría Sísmica


Hace casi una década el edificio fue equipado con 36 sensores para registrar las vibraciones y movimientos en plantas seleccionadas de arriba hacia abajo. Ahora se está ampliando la funcionalidad de esos sensores...

Bienvenidos a este miércoles de #civiltech. En esta ocasión tocaremos un tema de gran importancia para el desarrollo de la Ingeniería Civil y que sin duda alguna abrirá muchas puertas que antes se desconocían en áreas de suma importancia para la evolución de la carrera y, ¿porqué no?, de la humanidad.

En la década de 1960 un edificio de 21 pisos de hormigón armado, diseñado por el famoso arquitecto I.M. Pei, fue construido en el campus del Massachusetts Institute of Technology (MIT) en Cambridge. Cinco décadas más tarde, investigadores de la Universidad, en colaboración con el servicio geológico de Estados Unidos, equiparon este edificio, la estructura más alta en Cambridge, con 36 acelerómetros para registrar las vibraciones y movimientos en ciertos pisos de arriba a abajo. Ahora investigadores de la Universidad han desarrollado un método de procesar y analizar la gran cantidad de datos recogidos por los sensores para crear un modelo computacional para monitoreo de salud estructural que promete tener consecuencias de gran alcance.

"Los edificios se deterioran con el tiempo debido a los efectos del envejecimiento de los materiales y la presencia de riesgos, como los terremotos," dijo Hao Sun, Ph.D., un asociado postdoctoral en Ingeniería Civil y Ambiental del Departamento de ingeniería del MIT.

El monitoreo de salud estructural ha sido un área importante de investigación durante décadas, pero ha enfrentado retos porque en muchos casos son necesarios numerosos sensores costosos para recoger datos de vibración.

El modelo computacional desarrollado por el equipo MIT utiliza los sensores incrustados en el Cecil and Ida Green Building, como se le conoce. Estos sensores son sensibles para recoger pequeñas vibraciones, como los causados por carros retumbando por las calles cercanas o por el viento que embate el edificio. En otras palabras, los sensores registran el movimiento del edificio en el tiempo.

El nuevo sistema autocontrol tiene dos componentes. El primero comprende los datos recogidos por los sensores, que actúan como un "sistema nervioso" para el edificio, según Sun. El segundo es un modelo de computadora que analiza continuamente los datos para caracterizar las propiedades estructurales y determinar cambios como ondas de vibración a través de la construcción. "Análisis de datos genera registros y extrae características estructurales para detectar interferencias y daños en una etapa temprana”.

Siguiendo un enfoque de caracterización basado en lo que se llama interferometría sísmica, la computadora crea minas de modelos con características clave obtenidas de los datos de vibración. "Interferometría sísmica es un enfoque orientado al procesamiento de datos de aceleración registrados por la red de sensores instrumentada," señala Sun. "Este enfoque puede estimar las características dinámicas de un edificio, como las ondas de corte, la velocidad de las ondas y las formas de modo, así como los parámetros de amortiguación dependiendo tanto la atenuación intrínseca del edificio, como de la estructura del suelo. Combinamos también interferometría sísmica con un tipo de inferencia estadística conocida como inferencia bayesiana para cuantificar las incertidumbres de rigidez de un modelo de elementos finitos, que puede utilizarse para la evaluación de la fiabilidad."

Como los datos del sensor son recogidos y se analizan en el tiempo, el deterioro de un edificio puede ser rastreado utilizando las grabaciones iniciales como base con la cual se comparan las mediciones futuras.

"La estructura se deteriora en función de tiempo debido a impactos ambientales y efectos mecánicos, vibraciones y así sucesivamente. La idea es desarrollar una base de datos y poder analizarla a través de algunos algoritmos para el monitoreo continuo de la estructura y para alertarnos sobre situaciones donde el edificio pueda perder su seguridad y necesite reparación o adaptación". Estos algoritmos son ahora el foco de la actividad del equipo. "Tenemos la capacidad, pero la capacidad en sí misma necesita ser calibrada con experiencias acumuladas en función del tiempo para tener una predicción más precisa”, dijo Oral Buyukozturk, Ph.D, profesor de Ingeniería Civil y Ambiental y el director del Laboratorio para Ciencia y Sustentabilidad de Estructuras del MIT, quien supervisa la investigación dirigida por Sun.

Una vez que el equipo haya terminado de validar su modelo de computadora del Cecil and Ida Green Building, llevará a cabo una serie de experimentos en otros tipos de estructuras. "El objetivo a largo plazo es desarrollar un prototipo de tecnología lista para ser utilizada en todas las estructuras en operación de la ciudad", señala Sun. "Este sistema es capaz de ayudar a reducir el costo total de la reparación y mejorar la vida de servicio estructural de edificios y estructuras."

"Esto representa un método muy poderoso para desarrollar lo que llamamos las funciones de respuesta intrínseco de un edificio a las condiciones ambientales que suceden continuamente", explica Buyukozturk. "No tenemos que vibrar el edificio por cualquier medio mecánico. No tenemos que golpear o algo como eso. La vibración se produce con el viento y otros efectos ambientales”.

Como parte de su modelado, el equipo también está trabajando para desarrollar algoritmos que puedan predecir la propagación de la onda a través de una estructura utilizando un número mínimo de sensores. Esto servirá para que el sistema de monitoreo de salud estructural sea más rentable para los usuarios, según Buyukozturk.

Al parecer pronto veremos a la medicina y la Ingeniería Civil trabajar juntas con algo más que huesos rotos y columnas agrietadas.

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