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Monitoreo estructural para la detección temprana de fallas

Evitar paradas de planta inesperadas, eliminar pérdidas totales por daños críticos, así como reducir tiempos de mantención y reparaciones, son algunos de los beneficios que brindan los sistemas de monitoreo estructural.

En la industria, el monitoreo estructural es un método para controlar la seguridad, la integridad y el rendimiento de una estructura, como edificios, puentes, monumentos históricos, entre otros. Para ello, se instalan en las estructuras sensores que detectan tempranamente el daño y su ubicación a consecuencia de algún sismo, evento o desgaste propio, reportando a un registrador de datos que almacena la información para su procesamiento.

La falta de monitoreo puede llevar a problemas graves que se hacen evidentes cuando la situación es crítica y, en algunos casos, demasiado costosa. El monitoreo estructural permite cuidar las estructuras a largo plazo, con menores costos en mantenimiento y reparaciones.


Aplicaciones

El monitoreo estructural puede ser aplicado en diversas áreas, tales como:

a. Estructural: aplicable en puentes, represas, monumentos históricos, edificios, túneles, hospitales y escuelas.

b. Energía: aplicable en plantas eléctricas, turbinas eólicas y torres de distribución.

c. Transporte: aplicable en vías férreas, ferrocarriles, aeronáuticas y barcos.

d. Industria: aplicable en las plantas industriales, plantas automotrices, maquinarias y equipos.

e. Petróleo y gas: aplicable en refinerías, almacenes de gas y petróleo, plataformas petroleras y ductos.

f. Investigación: aplicable en universidades y control de investigación.

g. Geociencias: aplicable en minerías, taludes y túneles.

h. Seguridad: aplicable en prisiones e integridad perimetral.


Tecnologías para el monitoreo estructural

a. Acelerómetros: son uno de los transductores más versátiles. Miden la aceleración o vibración del movimiento de una estructura. La fuerza producida por la vibración o el cambio en el movimiento hace que la masa comprima el material piezoeléctrico, ocasionando así una carga eléctrica que es proporcional a la fuerza ejercida sobre él.

b. Strain gauges (o galga extensiométrica): es un sensor que mide la deformación, presión, carga, par, posición, entre otros factores, y se basa en el efecto piezorresistivo, que es la propiedad que tienen ciertos materiales de modificar el valor nominal de su resistencia cuando se les aplica fuerza y se deforman en dirección de los ejes mecánicos.

c. Linear Variable Differential Transformer (LVTD o transductor de desplazamiento variable lineal): es un equipo electromecánico usado para transformar el movimiento rectilíneo, en una corriente eléctrica variable, voltaje o señales eléctricas. Este equipo es usado para sistemas de control automático en tecnologías de medición.

d. Termocuplas: llamado también termopar, es un sensor de temperatura utilizado comúnmente en la industria. Estos se pueden hacer con dos metales distintos unidos en un extremo. Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño llamado efecto Seebeck, el que aumenta con la temperatura.

El principio de operación de estas tecnologías se basa en los sensores piezoeléctricos con amplificadores integrados microelectrónicos, que son alimentados por acondicionadores de señal de corriente constante. El resultado es un sistema fácil de operar, de baja impedancia y con dos cables.

La implementación de un sistema de monitoreo estructural otorga diversos beneficios ligados a la detección temprana de falla, como tomar acciones antes de que el daño sea crítico, reducir los tiempos de mantención y reparaciones, y asegurar la continuidad operativa.


Costo-beneficio de estos sistemas

Para analizar el costo-beneficio de un sistema de monitoreo estructural, se debe considerar el tiempo de reparación ante una falla que produzca una detención del proceso -con el consiguiente costo de pérdida de producción- más el costo de la reparación, versus la instalación y mantención de un sistema de monitoreo.

Se tendrá que considerar una falla (monitoreable) dentro de un número de años con la mejor información de los expertos en el sistema a proteger. Esto dependerá del tipo de estructura y las condiciones a las que esté expuesta. Por ejemplo, una estructura de stockpile muy cercana a la mina donde se producen detonaciones para la extracción del mineral.

Se podría decir también que la relación costo-beneficio en el empleo de estos sistemas es altamente significativa, pues viéndolo desde el punto comercial, al momento de emplear un monitoreo estructural, ya se estaría garantizando un plazo de vida más duradero de la estructura, de modo que al momento en que esta falle, se puedan realizar las reparaciones pertinentes a un menor costo de lo que sería sufrir una pérdida total.


ROI

El ROI (Return on Investment) es el valor económico generado como resultado de la acción de inversión. Teniendo los costos de la falla y el costo de monitoreo, se puede determinar el ROI como: (ingreso-gasto) / gasto, donde “ingresos” será el valor de no-pérdida de producción, y “gastos” el costo de la inversión (la pérdida se evita al programar la reparación antes de que la falla sea crítica).

El MTBF (Mean Time Between Failures) nos dará el tiempo entre fallas durante la vida útil de la estructura y, por lo tanto, el número de veces que podría darse la falla en toda la vida útil de la estructura.


¿Cómo opera?

Muchas son las empresas y aplicaciones en que se puede usar este tipo de monitoreo, que ya está siendo utilizado en la minería chilena. Un caso podría ser el stockpile minero que sufre el continuo estrés por las detonaciones en la mina y que con el tiempo se hacen más cercanas. El sistema de adquisición transmite la data al centro de procesamiento y análisis, almacenando los datos, donde están definidos los niveles de alarma, entre otros. Una plataforma en línea permite visualizar parámetros de la estructura en tiempo real, generando informes y alertas. Finalmente, el sistema envía al cliente recomendaciones y reportes para ser agendadas inspecciones periódicas a terreno.


Artículo gentileza de Varitec. / www.dewesoft.com / www.varitec.cl
Julio 2018
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Comentarios acerca de este artículo
Wernher Ibañez GEOGlobalty (02/08/2018)

Estimados Sres.,

Junto con saludarles e indicarles lo interesante del artículo, deseo agregar que existen otros tipos de sensores de carácter Geo-espacial que no miden solamente fenómenos locales como los mencionados en este artículo, sino que también pueden medir fenómenos más globales tales como deformación y desplazamiento estructural. Nuestra oficina ha implementado sistemas robóticos, sensores GPS e inclinómetros para la medición de deformaciones, desplazamientos estructurales y cálculo de variable virtual. Los que en conjunto, a través de una base de datos SQL-Server, pueden formar un sistema de monitoreo integral para la detección y alerta temprana de fenómenos locales y globales.

Atentos a sus comentarios, se despide cordialmente;

Wernher Ibañez L.
GEOGlobalty


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