Durante nuestro trabajo como investigadores en CARTIF, a menudo nos encontramos con la necesidad de modelar y resolver numéricamente (es decir, simular) sistemas cuyas respuestas se ven afectadas por la interacción, con distintos grados de acoplamiento, de varios fenómenos físicos de muy distinta naturaleza (p.ej. deformaciones estructurales, transmisión de calor, campos electromagnéticos, etc.). En estos casos, nos encontramos ante lo que se conoce como un problema de multifísica. A la novedosa disciplina que se encarga de su resolución se le denomina habitualmente multifísica computacional y plantea en la actualidad desafíos tanto desde el punto de vista computacional como teórico. Matemáticamente, los problemas de multifísica están definidos por un conjunto fuertemente acoplado de ecuaciones en derivadas parciales tanto en el tiempo como en el espacio, cuya resolución requiere del desarrollo de complejos algoritmos robustos capaces de enfrentarse a este tipo de interacciones de forma general y eficiente.
En el pasado, debido a las limitaciones de las capacidades computacionales, los efectos del acoplamiento entre los distintos campos físicos sólo podían ser tenidos en cuenta de forma muy aproximada, si es que no eran directamente ignorados. En la actualidad, gracias al avance en los medios informáticos y en la tecnología de software, tenemos la capacidad de resolver gran parte de estos problemas de forma precisa utilizando códigos comercialesde cálculo de uso general (p.ej. ANSYS o ABAQUS). La posibilidad de incluir en el cálculo los efectos del acoplamiento entre distintos campos físicos nos permite obtener resultados que nos proporcionan una mayor comprensión de las causas y consecuencias de los fenómenos naturales implicados. Por otro lado, y ya en términos puramente ingenieriles, el poder abordar los problemas desde una óptica más general nos permite realizar una estimación más realista del desempeño de cada uno de los diseños de un prototipo, obteniéndose productos finales mucho más económicos y seguros, los cuales pueden ajustarse mejor a las necesidades del cliente.
De entre todos los tipos de simulación multifísica, el más importante en ingeniería estructural es el de Interacción Fluido-Estructura (FSI, por sus siglas en inglés). Este tipo de análisis es el que más aplicaciones prácticas tiene a nivel industrial y es, por tanto, sobre el que más se ha trabajado, encontrándose actualmente en un estado de desarrollo más avanzado que el resto. FSI consiste básicamente en analizar la interacción que se produce entre un sólido deformable y el fluido (líquido o gas) en el que está inmerso (o bien que circula por dentro de él). Esta interacción ocurre cuando la presión que ejerce un fluido sobre una estructura provoca la deformación de ésta. Esta deformación a su vez modifica las condiciones de contorno del flujo fluido, viéndose modificadas las presiones que éste ejerce sobre la estructura, y así sucesivamente. En este caso, decimos que la estructura y el fluido están acoplados, por lo que no podemos analizar los subsistemas por separado (a no ser que el acoplamiento sea débil). FSI es ampliamente utilizada en muchos sectores industriales: automoción (despliegue del airbag), aeronáutico (flameo de las superficies de sustentación), biomecánico (aneurismas), energéticos (combustión en calderas), etc.
En la imagen se presenta uno de los sistemas estudiados consistente en la simulación multifísica de la abolladura de las virolas inferiores de depósitos cilíndricos abiertos sometidos a la acción sísmica, fenómeno conocido como “pata de elefante”.
En los últimos años, con el abaratamiento de nuevas técnicas instrumentales y el desarrollo de los correspondientes algoritmos computacionales, están apareciendo multitud de trabajos basados en escaneado 3D y fotogrametría tendentes a obtener especificaciones técnicas de sistemas mecánicos o estructurales, las cuales no están disponibles por distintas razones. Aunque en el proceso ingenieril directo lo normal es disponer de los informes técnicos y de los planos del producto previamente a su construcción, la realidad es que las edificaciones antiguas no están documentadas o, si lo están, es bastante habitual que la ejecución de las mismas no se corresponda con lo proyectado. Y aunque así fuera, el paso del tiempo puede haber provocado diferencias en el comportamiento de los materiales por fatiga mecánica o agresiones químicas o haber sufrido daños localizados, asentamientos de los apoyos u otras patologías estructurales comunes.
Con frecuencia, los datos obtenidos se centran en dimensiones geométricas y características superficiales como rugosidad y color. Una de las aplicaciones más claras es la reconstrucción tridimensional de construcciones arquitectónicas, bien de edificación para posibles rehabilitaciones o elaboración de planos informados (BIM) o con fines de archivo del patrimonio histórico o industrial.
Pasarela peatonal estadio balear (Mallorca)
Aun siendo de gran utilidad los datos geométricos adquiridos, en ingeniería estructural no son suficientes y es necesario añadir información sobre las características de los distintos materiales de construcción, las uniones entre los mismos y su posible interacción con los soportes y el terreno.
Afortunadamente, también se están haciendo más accesibles tecnologías que permiten extraer cierta información adicional. En esta entrada se verá cómo mediante sencillos registros de aceleración y algoritmos de identificación y de actualizado computacional, se puede completar la información geométrica y disponer de las especificaciones técnicas necesarias que permitan conocer el comportamiento dinámico de la estructura bajo estudio. Estos procedimientos no requieren ensayos destructivos y, en el supuesto de que estos fueran viables, dichos ensayos no proporcionarían la información buscada a pesar de su mayor coste económico.
En primer lugar, comentar que la captura geométrica realizada, con independencia de su precisión dimensional, hace referencia a un determinado estado de carga sobre la estructura (al menos el debido a las acciones gravitatorias) y corresponde a una determinada temperatura ambiente. Ambas condiciones afectan significativamente en estructuras esbeltas como puentes o torres de tendido eléctrico. Además, en general, estas construcciones experimentan inevitables oscilaciones debidas a acciones ambientales que pueden también afectar a la precisión dimensional registrada.
En segundo lugar es interesante tener en cuenta que en ingeniería estructural y en construcción de obras civiles es usual recurrir a componentes comerciales (perfiles, encofrados, tuberías, farolas) de dimensiones discretas conocidas. Esto habilita la posibilidad de proceder a escalados adaptativos que permiten mejorar la precisión dimensional o su refinamiento local. De esta manera no serían necesarios registros dimensionales exhaustivos y se podría recurrir a sistemas de bajo coste tanto instrumental (cámaras) como de equipos informáticos necesarios para su postprocesado.
Registros de aceleramiento en cuatro puntos
Teniendo en cuenta lo anterior y presuponiendo ciertas habilidades para el modelado computacional en construcciones de este tipo, es posible disponer de un modelo preliminar de la estructura. Sobre este modelo, el método de los elementos finitos permite estimar la deformación incremental debida a ciertas cargas o acciones térmicas y mediante correlaciones adecuadas comenzar a estimar ciertos parámetros internos (densidad efectiva, rigidez, daño, etc.). No obstante la metodología cobra especial importancia cuando se combina la información anterior con datos modales. Para ello lo primero es disponer de los modos propios identificados experimentalmente (mediante análisis modal operacional, post-procesando los registros de aceleración ante cargas ambientales) y posteriormente seleccionar ciertos parámetros del modelo computacional. Ahora se trata de ajustar el valor de dichos parámetros (mediante rutinas de optimización y en función de la sensibilidad de cada parámetro y su rango de valores admisibles) para que casen los modos experimentales con los calculados computacionalmente. En este proceso se deben tener en cuenta no solo las formas modales más representativas sino también sus frecuencias y amortiguamientos modales.
Una vez determinados los valores de dichos parámetros se consigue disponer de un modelo a partir del cual poder no solo generar la correspondiente documentación técnica de la estructura real sino poder estimar su vulnerabilidad ante cargas accidentales, evaluar la vida útil o conocer la efectividad de diversas medidas de conservación, entre otras aplicaciones, entrando en lo que se conoce como re-ingeniería estructural, de cuyas ventajas se podrá hablar próximamente.
¿Cómo reducir el esfuerzo económico que suponen las tareas de mantenimiento y conservación estructural implantando sistemas de monitorización?
Las estructuras no son eternas. Se proyectan para prestar un servicio durante un número de años determinado. Así, la vida útil del mástil de un aerogenerador es de, aproximadamente, 20 años mientras que en el caso de un puentedependerá de la tipología y del material utilizados. De acuerdo con Guy Grattesat, un puente metálico tendrá una vida útil de 40 años, 100 años para los de hormigón armado, entre 15 y 20 años los fabricados en madera y unos 200 años para los proyectados en mampostería. No obstante, sobrepasar la vida útil prevista no debe implicar necesariamente el desmantelamiento de la estructura. En general lo que se hace es un seguimiento más exhaustivo de la misma y aplicar medidas de conservación en caso necesario.
El parque estructural europeo está alcanzando la vida útil para la que fue diseñado y empieza a dar señales de fatiga. Según Eva Lantsoght, profesora de Ingeniería de la Universidad San Francisco de Quito, “los puentes europeos son viejos, pero reemplazarlos implica una gran inversión. Solo en Holanda existen alrededor de 3.000 puentes que podrían presentar problemas, pero sustituirlos cuesta alrededor de un millón de euros cada uno”. Por mencionar otro ejemplo, los primeros aerogeneradores (1984) cuya eclosión tecnológica llegó en 2002 (según la GWEC, Global Wind Statistics) tendrán grandes necesidades de mantenimiento y el crecimiento de estas necesidades, imagino, tendrá la misma curva exponencial que ha tenido el desarrollo de los aerogeneradores en el pasado.
18 acelerómetros MENS triaxiales (desarrollados por CARTIF) alojados dentro de la barandilla de forma equiespaciada
Con estos antecedentes, quiero resaltar la importancia que adquiere conseguir reducir el esfuerzo económico que implican las tareas de mantenimiento y conservación estructural. Por ello, los sistemas de monitorización son la solución que se viene desarrollando en los últimos años. Lo más usual en este tipo de infraestructuras es colocar una red de acelerómetros con los que sea posible determinar el comportamiento vibratorio de la estructura. Esta identificación permite estimar sus características modales analizando así su integridad ante cambios estructurales futuros. La idea es conocer cómo se comporta la estructura cuando está bien para determinar cuándo no lo está, controlando la variación de unos pocos parámetros, los que caracterizan modalmente a la estructura (frecuencia, modo y amortiguamiento) y de forma remota a ser posible. El término “monitorización” encierra en su semántica que el sistema es automático en el sentido de que registra valores dinámicos de forma continua, pero sin ningún tipo de interpretación. La interpretación de los valores dotándoles de sentido y significado también debería ser de forma automática mediante la integración del correspondiente sistema de alarmas.
Para la obtención de estos parámetros se requiere una cierta comprensión en el campo de la dinámica además de experiencia en técnicas experimentales de identificación modal. Tanto las que se basan en conocer la señal de fuerza aplicada sobre la estructura (Análisis Modal Experimental “EMA”) como las usadas cuando no conocemos la carga a la que está sometida la estructura (Análisis Modal Operacional “OMA”).
El mantenimiento controlado por sistemas de monitorización, en lugar de por las rudimentarias inspecciones visuales basadas también en pruebas de carga, será un importante nicho de negocio para empresas que sean capaces de realizar este control estructural reduciendo al máximo los costes de los equipos a usar.
En este sentido, puedo mencionar el éxito de la monitorización low-cost de la Pasarela Peatonal Pedro Gómez Bosque (construida en Valladolid) que lleva controlada por el equipo de CARTIF más de tres años. En este tiempo, la estructura nos ha facilitado datos de cómo se comporta en función de su uso, en verano, en invierno, bajo fuertes rachas de viento, etc. Con el análisis de esta información sabemos qué entra dentro de lo normal para, en el futuro, marcar los límites y determinar anomalías.
