El cuidado y monitoreo de las estructuras que nos rodean, desde edificios y puentes hasta aerogeneradores y componentes de aeronaves, es esencial para garantizar su seguridad y su funcionalidad.
La falla de estas estructuras podría llevar a consecuencias socioeconómicas catastróficas e incluso la pérdida de vidas. Es por esto que una de las áreas de investigación en este campo es la detección de daños en estructuras críticas.
Estas fallas pueden ser provocadas por la degradación natural de los materiales, y agravadas por su exposición a climas extremos —intensificados por el cambio climático—, lo que puede acelerar la disminución de su capacidad de carga y de servicio.
Monitoreo de estructuras
Los grandes fallos estructurales son evidentes, pero los pequeños pueden pasar desapercibidos hasta que se convierten en un problema mayor.
Detectar estos daños en etapas tempranas es crucial para prevenir accidentes y reducir costos de mantenimiento. Esto nos permitirá tomar decisiones inteligentes sobre si continuar operando o realizar un paro en la estructura para realizar mantenimiento.
Hacerlo es un desafío. Especialmente en estructuras de geometrías complejas o materiales ligeros como compuestos y plásticos.
El estudio Damage detection in composite and plastic thin-wall beams by operational modal analysis: An experimental assessment, Composites Part C: Open Access propone una solución costo-efectiva muy precisa sobre cómo el uso de sensores y algoritmos avanzados puede identificar daños pequeños, como masas añadidas o grietas minúsculas.
Midiendo las vibraciones
El Análisis Modal Operacional (OMA) estudia cómo una estructura vibra naturalmente cuando se somete a estímulos cotidianos, como viento o tráfico.
Esta herramienta es parte de la metodología utilizada, ya que no requiere un generador especializado de vibraciones ni medir la fuerza que se aplica a la estructura; procesa los datos de vibración o de respuesta para identificar las características dinámicas de la estructura.
También se utiliza la técnica Transformada Continua de Wavelet (CWT) que funciona como un microscopio matemático que “amplifica” las señales relacionadas con daños, permitiendo detectar irregularidades que podrían ser invisibles en análisis tradicionales.
Combinando estas herramientas, es posible identificar y localizar daños en estructuras de material compuesto, con una configuración experimental con un mínimo número de sensores.
Para demostrar la efectividad de esta técnica, se realizaron experimentos con dos tipos de estructuras. Empezamos con la Viga compuesta de pared delgada (CTWB) que fue sometida a pruebas en dos configuraciones diferentes, midiendo sus vibraciones naturales con una red de sensores.
La primera configuración fue en un voladizo fijo de un extremo. Mientras, que la segunda configuración fue suspendida de un extremo.
Algunos hallazgos
Con el Tubo de PVC en configuración libre-libre se analizaron las vibraciones del tubo en una configuración libre por los dos extremos.
En ambos casos, se introdujeron daños controlados, como masas adicionales equivalentes al 9.5% y 14% de la masa de la estructura, así como pequeñas grietas que representaban el % del perímetro de la sección transversal.
Entre los resultados destacados se detectaron daños pequeños, pues el método identificó masas adicionales y grietas pequeñas con una precisión que se estima en 3% de la longitud de la viga.
En lo que se refiere a la resolución sub-rejilla, los sensores estaban distribuidos en una red relativamente gruesa, por lo que la combinación de herramientas matemáticas permitió obtener detalles por debajo de esta resolución.
Respecto a la cuantificación de los daños, se presentaron curvas de calibración que relacionan la magnitud de los mismos (por ejemplo, el peso de una masa adicional) con la intensidad de la señal detectada, lo que facilita la cuantificación del daño.
Por último, el sistema funcionó eficazmente con una configuración de medición sencilla con un número reducido de sensores, por lo que representa una solución prometedora para aplicaciones de bajo costo.
Salud estructural
El trabajo demuestra que es posible implementar Sistemas de Monitoreo de Salud Estructural (SHM) efectivos sin depender de equipos costosos o configuraciones complejas.
Esta metodología podría ser especialmente útil para monitorear puentes o edificios donde las inspecciones regulares son difíciles (Infraestructura crítica), evaluar el estado de materiales compuestos en aeronaves, donde pequeños daños pueden comprometer la seguridad (industria aeroespacial), así como para inspeccionar turbinas eólicas o estructuras marinas expuestas a condiciones severas (energías renovables).
Además, la capacidad de detectar múltiples daños simultáneamente, como dos grietas o dos masas añadidas, amplía su aplicabilidad en escenarios reales.
A pesar de los avances, el método tiene desafíos y factores que pueden interferir con las mediciones, por ejemplo el ruido ambiental en escenarios reales, la acumulación de hielo entre sensores, o vibraciones no relacionadas.
Referencia
Josué Pacheco-Chérrez, Manuel Aenlle, Pelayo Fernández, Carlos Colchero, Oliver Probst, Damage detection in composite and plastic thin-wall beams by operational modal analysis: An experimental assessment, Composites Part C: Open Access, Volume 15, 2024, 100542, ISSN 2666-6820,
Autor
Josué Pacheco-Chérrez. Es profesor de la Escuela de Ingeniería y Ciencias del Tec de Monterrey. Obtuvo su doctorado en Ciencias de la Ingeniería en el Tec de Monterrey en 2023. Fue investigador posdoctoral en el Laboratorio de Sistemas No Invasivos de Interfaz Cerebro-Máquina de la Universidad de Houston, en el Centro BRAIN.
