Monitorización inteligente de grandes infraestructuras de Obras Públicas con sensores IoT

Paloma Recuero de los Santos    26 noviembre, 2020
Puente colgante

¿Sabías que los sensores IoT pueden ser importantes aliados para garantizar la seguridad de grandes infraestructuras como: puentes, presas, oleoductos, turbinas eólicas, etcétera?. En este post, te explicamos cómo.

En agosto de 2018, 43 personas fallecieron por el colapso del puente Morandi, en Génova. Ese mismo año, en España, el Ministerio de Fomento reconocía la existencia de 66 puentes con graves problemas de seguridad. La causa más probable de esta situación es que, durante los peores años de la crisis, de 2009 a 2014 — no se destinó un solo euro a proyectos de mantenimiento. Por fortuna, no hubo que lamentar ningún accidente fatal como el sucedido en Génova. Pero sí que se dispararon las actuaciones de emergencia.

Figura 1: Puente Morandi, en rojo, la sección que colapsó
Figura 1: Puente Morandi, en rojo, la sección que colapsó (Autor: Phoenix7777 )

El problema

Cada cierto tiempo, expertos supervisan estas grandes estructuras sobre el terreno. El problema está en que muchas patologías no se detectan hasta que no aparecen signos externos del deterioro, pudiendo ser los daños ya graves.

Otro problema habitual consiste en minusvalorar la importancia de estas revisiones (y las actuaciones de mantenimiento derivadas de ellas) en situaciones de crisis económica, como la mencionada anteriormente.

Los avances en tecnologías IoT permiten garantizar la seguridad de estas infraestructuras de forma más eficiente, económica y sostenible. Veamos cómo.

¿Cómo medir la salud de una infraestructura?

Las grandes infraestructuras de hormigón que se usan en obras publicas suelen estar sometidas a condiciones extremas de temperatura, humedad. En ocasiones, se hayan en ambientes químicamente agresivos o con presencia de fuertes campos electromagnéticos. Para estimar si están en buen estado, hay que controlar cinco parámetros esenciales: temperatura, humedad, índice de corrosión, PH y fracturas por esfuerzos.

En el pasado, técnicos especializados realizaban las lecturas de estos parámetros de forma manual, aproximando los lectores a los puntos donde habían sido ubicados los sensores. Hoy día, las nuevas generaciones de sensores permiten enviar estas lecturas través de las redes NB-IoT. Estas redes permiten transmitir pequeños volúmenes de datos, con un consumo muy bajo de energía. Este bajo consumo de baterías es un aspecto clave para que la vida útil de estos sensores incrustados en la estructura de hormigón sea lo suficientemente larga. 

La conexión de los sensores a Iot no sólo va a permitir lo monitorización remota en tiempo real. También va a permitir crear modelos estructurales aplicando tecnologías de inteligencia artificial. Los datos recogidos por los sensores IoT se combinan con otras fuentes de información como pueden ser: datos meteorológicos, datos sobre las cargas , daños, o posibles deficiencias detectadas en la construcción original.

Como ocurre con cualquier modelo de aprendizaje automático, estos modelos de corrosión y salud estructural se van haciendo mejores, cuanto mayor es el conjunto de datos con el que se entrenan. De esta forma, se puede llevar a cabo una detección precoz de anomalías, reduciéndose de forma drástica los costes de mantenimiento.

También, por supuesto, permite alargar la vida útil de la estructura, mejorando su seguridad y sostenibilidad.

Tipos de sensores

Hay muchos tipos de sensores. La elección de cuál es el más adecuado para cada situación dependerá del tipo de datos que se quiere registrar, las condiciones físicas de la infraestructura, la vida útil del sensor, sus necesidades de calibración y mantenimiento etc

Veamos algunos ejemplos de los sensores que se usan en este ámbito.

  • Piezoeléctricos, que pueden detectar la compresión, tracción y agrietamiento.
  • Electroquímicos, pueden detectar, por ejemplo, iones de cloruro en las armaduras de acero de las estructuras de hormigón. De esta forma, es posible detectar indicios de corrosión en el interior de la estructura cuando aún no se perciben desde el exterior.
  • De temperatura, muy importantes para controlar que proceso de fraguado del hormigón se realice de forma adecuada. También para medir el impacto de condiciones meteorológicas y climáticas sobre la salud de la estructura.
  • De humedad, para detectar agua que puede causar corrosión, carbonatación y otros daños, como las grietas producidas por ciclos de congelación-descongelación.
  • De acidez, para detectar variaciones del PH. Si la acidez es excesiva, se pueden generar alertas que permitan detectar incipientes procesos de corrosión o carbonatación.
  • De fibra óptica, que, al ser químicamente inertes, y resistentes a altas temperaturas y campos electromagnéticos, permiten la monitorización en ambientes peligrosos, por  riesgo de explosión, uso de materiales corrosivos/inflamables etc, Miden deformaciones en la estructura causadas por diferentes motivos.
  • Etc

Un ejemplo concreto, los sensores de fibra óptica

La fibra óptica es ideal para medir la deformación de los materiales de construcción con el paso del tiempo. Las variaciones en variables externas como temperatura, presión, o desplazamientos producen deformaciones en los materiales. También deforman la propia fibra, afectando a cómo transmite la luz, lo que resulta muy sencillo de medir.

Para ello, se utilizan instrumentos específicos situados en los extremos del cable. Esto permite realizar una monitorización remota. Ya no es preciso desplazarse, ni hay que preocuparse por la duración de las baterías de los sensores. El propio cable de fibra óptica cable se convierte en un sensor en toda su extensión, permitiendo establecer distintos puntos de medida con un único cable.  Así, “un sensor distribuido de fibra óptica tiene la ventaja de transformar un cable como el que lleva el internet a las casas en un gran número de sensores”.

En la actualidad estos sensores de fibra óptica se suelen utilizar para detectar posibles fugas en gaseoductos y oleoductos, con extensiones de cientos de kilómetros. También se usan para monitorizar redes de alcantarillado o parques de turbinas eólicas marinas.

Otra de las ventajas de este tipo de sensores es que los cables de fibra óptica que llevan internet a los hogares ya están instalados en muchas infraestructuras, como puentes y vías férreas. Este hecho facilita la incorporación de un cable adicional que permita monitorizar la propia estructura por el mismo hueco.

Estructuras inteligentes

En el pasado, los concursos para las grandes obras públicas solían ganarlos aquellas constructoras que presentaran el plan de construcción más económico. Hoy día, gracias a los avances tecnológicos que permiten una monitorización inteligente de éstas, el objetivo es construir infraestructuras más eficientes y con menores costes de mantenimiento.

Así, además de encontrar dispositivos IoT en nuestros hogares, industrias, vehículos, incluso sobre nosotros mismos, podemos encontrarlos en puentes, presas, oleoductos, y grandes infraestructuras de obras públicas de nuestro entorno.

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