¿Cuál es la importancia del monitoreo de cimentaciones y cómo se realiza?
By Ph.D. Carolina Hernández Valerio (Junio 2023).El monitoreo de las cimentaciones es esencial para garantizar la seguridad, la estabilidad y el rendimiento de las estructuras. Proporciona información valiosa para la toma de decisiones durante el diseño, la construcción y la operación de los proyectos de ingeniería civil. Este blog tiene como objetivo, entre otros, destacar la importancia del control del comportamiento de la estructura de los edificios y de las cimentaciones a partir del control de seguimiento de los asentamientos aplicado a los grandes edificios durante la fase de construcción o en los ya construidos.
Introducción al monitoreo de cimentaciones
La verificación del comportamiento de las cimentaciones requiere el estudio de la interacción entre la estructura de concreto y el suelo. El control y seguimiento de cimentaciones puede restringirse a la medición de asentamientos y desplazamientos. Los accidentes (deslizamiento, derrumbe, hundimiento del suelo, así como desplazamiento) vienen siendo, cada vez más, detectados en ambientes urbanos. Por lo tanto, la confirmación de la calidad de las cimentaciones ejecutadas viene a estimular aún más el trabajo de las geotecnologías en el área de las construcciones.
El estudio de las cimentaciones se divide en cuatro fases: prospectiva, proyecto, elección de la cimentación y ejecución. La interacción entre superestructura y cimentación tiene como consecuencia desplazamientos verticales, es decir, deformaciones. Por mucho que se ejecuten buenas pesquisas y muestreos de buena calidad, siempre habrá posibilidades de “sorpresas geológicas”, comportamientos medibles no totalmente previstos y variabilidad no totalmente medible “a priori”.
La necesidad está entonces en seguir la ejecución de la obra después de la realización de la cimentación e investigar si su comportamiento es el previsto teóricamente dentro de un límite de deformación permisible a partir de la medición de asentamientos en campo. El suelo sobre el que volverán a caer las futuras cargas proyectadas, se convierte en elemento clave de consulta, por lo que justo después de los ensayos de laboratorio y de campo queda la duda de cuánto a su comportamiento. Para su diagnóstico es necesaria una perfecta interacción entre la empresa prospectiva, el diseñador, el contratista y los consultores. De igual forma, durante la ejecución de la obra se pueden tomar decisiones básicas para la perfecta armonía entre lo proyectado y el área de la construcción que lo soportará.
La medición de los asentamientos de tal manera permite la investigación de los cimientos de la estructura del edificio. Las dimensiones medidas entonces se cotejarán con los asentamientos estimados. Durante la construcción se puede notar la presencia de grietas en las estructuras aún no perjudiciales para la estabilidad del edificio. Se destaca aquí la importancia del acompañamiento sistemático de la mano de obra con el objetivo de garantizar la seguridad contra su ruptura. Como objetivo de la medida de desplazamientos verticales, se destaca:
- Para confirmar la calidad de los cimientos terminados;
- Controlar el asentamiento de la estructura de los edificios;
- Verificar las condiciones y evaluar la capacidad de los cimientos de edificaciones existentes cuando se trate de remodelar los mismos, modificar los mismos o aprovechar los mismos cimientos para otros fines;
- Verificar las condiciones y evaluar la capacidad de cimientos de edificaciones ya construidas y vecinas a otras obras de construcción;
- Estudiar la estabilidad de la cimentación y la estructura del edificio a partir del comportamiento de realización del conjunto de puntos-objeto de la cimentación y la estructura del edificio;
- Asegurar la edificación o delimitar un área de inminencia de riesgo de ruptura.
¿Cómo se realiza el monitoreo de cimentaciones?
El monitoreo en tiempo real de las cimentaciones implica la recopilación continua y el análisis de datos en tiempo real para evaluar el comportamiento de la cimentación y tomar decisiones basadas en la información en tiempo real. A continuación, se describen los pasos generales para llevar a cabo el monitoreo en tiempo real de las cimentaciones:
- Selección de sensores: Determine los parámetros que desea monitorear y seleccione los sensores adecuados para medir esos parámetros. Pueden ser sensores de deformación, sensores de presión de agua, sensores de asentamiento, sensores de presión de suelo, entre otros, según las necesidades específicas del proyecto.
- Instalación de sensores: Coloque los sensores en ubicaciones estratégicas de la cimentación y asegúrese de que estén correctamente instalados y calibrados. Es importante seguir las instrucciones del fabricante y contar con personal capacitado para garantizar mediciones precisas y confiables (Figura 1).
- Adquisición de datos: Los sensores registran los datos en tiempo real y estos se recopilan a través de un sistema de adquisición de datos. Puede ser un sistema de registro manual en el sitio o un sistema automatizado que envíe los datos a una ubicación centralizada a través de conexiones cableadas o inalámbricas.
- Transmisión de datos: Si se utiliza un sistema automatizado, los datos se transmiten a una ubicación centralizada en tiempo real. Esto se puede lograr mediante tecnologías como la comunicación por Internet, redes de sensores inalámbricos o sistemas de telemetría.
- Análisis en tiempo real: Los datos recibidos en la ubicación centralizada se analizan en tiempo real utilizando software de monitoreo y análisis. Este software puede proporcionar alertas automáticas cuando se detectan anomalías o exceden umbrales predefinidos. También permite realizar un seguimiento continuo del comportamiento de la cimentación y generar informes y gráficos para su interpretación.
- Toma de decisiones y acciones correctivas: Con base en los datos en tiempo real y los análisis realizados, se toman decisiones y se implementan acciones correctivas si es necesario. Esto puede incluir el ajuste de la carga aplicada, el refuerzo de la cimentación o la realización de inspecciones más detalladas para evaluar cualquier problema detectado.
- Monitoreo continuo: El monitoreo en tiempo real es un proceso continuo. Se debe realizar un seguimiento regular de los datos y realizar análisis periódicos para evaluar el comportamiento a largo plazo de la cimentación y tomar medidas preventivas.
Es importante destacar que el monitoreo en tiempo real de las cimentaciones requiere una planificación cuidadosa, el uso de tecnología adecuada y personal capacitado para la instalación y el análisis de los datos. Esto garantiza la obtención de información confiable y oportuna para la toma de decisiones y la gestión eficiente de las cimentaciones.
Importancia de los sensores en el monitoreo de cimentaciones
Los sensores desempeñan un papel crucial en el monitoreo del comportamiento de las cimentaciones, ya que permiten recopilar datos precisos y en tiempo real sobre diversos parámetros relacionados con la cimentación y el suelo circundante. Algunos de los sensores comúnmente utilizados para el monitoreo de cimentaciones son:
- Sensores de deformación: Estos sensores miden la deformación o los desplazamientos en la cimentación y estructuras asociadas. Pueden ser extensómetros eléctricos, celdas de carga, inclinómetros o galgas extensométricas. Estos sensores proporcionan información sobre la respuesta estructural y la distribución de cargas.
- Sensores de presión de agua: Estos sensores se utilizan para monitorear los niveles y la presión del agua en el suelo circundante a la cimentación. Ayudan a identificar la presencia de filtraciones de agua o cambios en el nivel freático, lo que puede tener un impacto significativo en la estabilidad de la cimentación.
- Sensores de asentamiento: Estos sensores miden los asentamientos verticales de la cimentación y permiten detectar cualquier movimiento diferencial. Pueden ser inclinómetros, plomadas o sensores de microdeformación. El monitoreo de asentamientos es especialmente importante en estructuras sensibles a la deformación, como edificios altos o puentes.
- Sensores de presión de suelo: Estos sensores miden la presión ejercida por el suelo sobre la cimentación. Proporcionan información valiosa sobre la capacidad portante del suelo y su comportamiento en respuesta a las cargas aplicadas.
- Sensores de vibración: Estos sensores se utilizan para monitorear las vibraciones causadas por actividades cercanas, como la construcción de obras adyacentes o el tráfico vehicular. Ayudan a evaluar el impacto de las vibraciones en la estabilidad de la cimentación y las estructuras.
- Sensores de inclinación: Estos sensores se utilizan para medir la inclinación o los cambios en la alineación de la cimentación. Son especialmente útiles en estructuras con elementos de soporte inclinados, como muros de contención o pilotes.
Estos son solo algunos ejemplos de los sensores utilizados en el monitoreo de cimentaciones. Los datos recopilados por estos sensores se registran y se analizan para evaluar el comportamiento de la cimentación, identificar posibles problemas y tomar medidas correctivas si es necesario. El monitoreo continuo con sensores permite un seguimiento preciso y en tiempo real, lo que ayuda a garantizar la seguridad y el rendimiento de las estructuras a lo largo del tiempo.
Sensores inalámbricos y redes de sensores
La Red de Sensores Inalámbricos o la Red de Sensores Inteligentes Inalámbricos que transfiere datos a través de una frecuencia de radio o Internet es una alternativa potencial a la red cableada habitual. Consta de los siguientes componentes de hardware: Un sistema de localización y posicionamiento, preferiblemente un GPS, una unidad de detección con un sensor y un convertidor de analógico a digital, una unidad de procesamiento como microprocesadores o microcontroladores, un transceptor de radio con una antena interna o conexión a una antena externa que conecta el nodo sensor con el resto de la red, un microcontrolador o memoria flash para el almacenamiento de datos, una fuente de alimentación, principalmente una batería para respaldar todo el sistema (Grosse et al., 2006). Los componentes de software incluyen sistemas operativos, controlador de sensor y middleware de host con módulos de seguridad y enrutamiento y algoritmos para controlar estos módulos (Perera et al., 2017). Los componentes de hardware básicos utilizados en una red de sensores se muestran en la Fig. 2.
Las redes de sensores inalámbricos superan muchas complejidades e inconvenientes que plantean las redes cableadas con un tamaño reducido de sensores, costos reducidos de instalación y mantenimiento. Las redes de sensores inalámbricos también se pueden instalar y desinstalar rápida y fácilmente, lo que hace posibles cambios temporales o de emergencia en los sistemas de monitoreo de la salud en un intervalo de tiempo relativamente corto (Boller et al., 2009; Boulis et al., 2011).
Aunque, la red de sensores inalámbricos tiene ventajas en cuanto a flexibilidad y versatilidad, también enfrenta los desafíos de tener acceso a un suministro de energía limitado que probablemente sea una forma de energía no renovable (Haldar, 2013). También son muy sensibles a las perturbaciones ambientales durante la detección y la transmisión de datos. Para minimizar las incertidumbres, se deben llevar a cabo estudios de sensibilidad y evaluaciones de confiabilidad utilizando modelos matemáticos que requieren profesionales capacitados para agregar a su complejidad (Ming Liu et al., 2009).
Los componentes de hardware en los nodos sensores también pueden sufrir daños físicos. Los académicos realizan investigaciones constantes para superar tales inconvenientes y hacer que el sistema sea más práctico y preciso para aplicaciones en tiempo real.
Conclusiones
El monitoreo de las cimentaciones proporciona una herramienta útil para garantizar la integridad y seguridad, detectar la evolución del daño y estimar el deterioro del desempeño de las infraestructuras civiles.
Los avances en sensores y tecnologías de la información han traído el monitoreo de las cimentaciones como un remedio basado en datos para la seguridad de la infraestructura civil. Los sistemas de sensores inteligentes y móviles han llevado la disciplina de monitoreo de cimentaciones a una nueva era en las últimas dos décadas. Los teléfonos inteligentes, en paralelo, han allanado los hitos de las innovadoras aplicaciones potenciadas por redes de sensores inteligentes, distribuidas, inalámbricas, móviles y participativas.
Referencias
Boller, F.-K. Chang, Y. Fujino (2009) In: Encyclopedia of Structural Health Monitoring John Wiley & Sons. Boulis, Rodney Berriman, et al. (2011) A wireless sensor network testbed for structural health monitoring of bridges. In: 6th IEEE International Workshop on Practical Issues in Building Sensor Network Applications, Bonn, Germany, 4 – 7. De Seixas, A., De Seixas, J. R., & De Seixas, J. J. (2006). Control and monitoring of buildings foundation–Application in very high buildings structure. Grosse, S.D. Glaser, M. Krüger (2006) Wireless Acoustic Emission Sensor Networks for Structural Health Monitoring in Civil Engineering In: 9th European Conference on NDT. Haldar (2013) Health assessment of engineered structures: Bridges, buildings, and other infrastructures World Scientific Publ. Co., Pte. Ltd (2013). Ming Liu, D.M. Frangopol, F. Sunyong Kim (2009) Bridge system performance assessment from structural health monitoring: A Case Study J. Struct. Eng., 135 (6), pp. 733-742. Perera, A. Pérez, M. García-Diéguez, J. Zapico-Valle (2017) Active wireless system for structural health monitoring applications Sensors, 17 (12), p. 2880, 10.3390/s17122880,