Método y sistema de evaluación de la integridad estructural de torres de celosía o reticuladas.

Método y sistema de evaluación de la integridad estructural de torres de celosía o reticuladas,

con el que se realiza una evaluación automática que permite identificar posibles estados de abatimiento o de degradación de la torre, así como condiciones anómalas de trabajo que induzcan estados de sobrecarga estructural. El método desarrollado consiste en identificar daños o anomalías estructurales a partir de alteraciones en la respuesta combinada estática y dinámica de la estructura, cuantificables mediante una serie de criterios y procedimientos de correlación [1-5]. El sistema está constituido por un sistema de monitorización (103) formado por un módulo dinámico (104)(107) para la determinación de la respuesta dinámica, un módulo estático (109) para la estimación de los planos locales de solicitación, un módulo de centralita (208) que actúa como sistema de adquisición, almacenamiento y envío remoto de los datos a otro módulo de postproceso (209), control y sistema experto de autodiagnóstico estructural.

MÉTODO Y SISTEMA DE EVALUACIÓN DE LA INTEGRIDAD ESTRUCTURAL DE TORRES DE CELOSÍA O RETICULAPAS

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene por objeto un método y sistema no destructivo de autodiagnóstico para evaluar la integridad estructural de torres de celosía o reticuladas, con el que se realiza una evaluación automática que permite identificar posibles estados de degradación de la torre, así como condiciones anómalas de trabajo que induzcan estados de sobrecarga estructural.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las torres de celosía o torres reticuladas son estructuras muy esbeltas, generalmente metálicas, construidas mediante subestructuras reticulares de barras interconectadas en nodos. Se trata de una configuración optimizada en la que, en el caso de la torres de celosía las barras trabajan predominantemente a tracción y compresión mientras que en caso de las torres reticuladas éstas transmiten también momentos. Se distinguen de modo general dos grupos atendiendo a su comportamiento estructural: torres autosoportadas y torres atirantadas. Se utilizan, por ejemplo, en grúas de construcción, en torres de telecomunicaciones como soporte de antenas, o en torres eléctricas de transmisión como soporte de los cables conductores eléctricos aéreos de las líneas de distribución de energía eléctrica.

Las torres están sometidas principalmente a las acciones mecánicas debidas al soporte de antenas, a la suspensión y/o amarre de los cables conductores eléctricos aéreos y a las posibles acciones dinámicas provocadas por el viento. Los colapsos estructurales de las torres de celosía o reticuladas se atribuyen principalmente a los procesos de envejecimiento y degradación, como por ejemplo la oxidación; a estados de sobrecarga estructural por efectos, entre otros, de la nieve o el viento; a otros efectos inducidos por las condiciones climatológicas, como corrimientos de tierra o la erosión de los cimientos; y en menor medida a actos de hurto, vandalismo o sabotaje.

Las consecuencias de un colapso pueden resultar graves, como son por ejemplo la interrupción de los servicios de telecomunicaciones o de distribución eléctrica de una población o la provocación de incendios. Por consiguiente, las torres en servicio requieren una inspección y un mantenimiento regular. Uno de los principales problemas que se plantea en las tareas de inspección se debe a motivos de accesibilidad. En la actualidad las inspecciones pueden realizarse aéreas (con helicópteros o vehículos aéreos no tripulados -Unmanned Aerial Vehicles, UAV-), o terrestres (con vehículos o a pie), por lo que el gasto económico y de tiempo empleado es elevado.

Por otra parte, las tecnologías de monitorización de la condición estructural (Structural Health Monitoring - SHM) se encuentran en pleno desarrollo y se han convertido en la última década en herramientas de gran utilidad para el mantenimiento y seguridad de estructuras críticas. Los sistemas de SHM constan esencialmente de un sensor, aparato o dispositivo embebido en la estructura para la adquisición, el almacenamiento y el procesado y análisis de datos en tiempo real. El requerimiento principal de un sistema de SHM es el de proporcionar una identificación cuantitativa de un estado de daño estructural, entendiendo por identificación los niveles de detección, localización y cuantificación del estado de degradación y/o la capacidad portante residual de la estructura. La alerta precoz proporcionada por un sistema SHM puede utilizarse para definir estrategias de reparación y prevención de colapsos estructurales o para dar información en tiempo real del estado de la infraestructura (numero de torres caídas, dañadas, etc.). No obstante, para garantizar la fiabilidad de las tecnologías y sistemas de SHM y aplicabilidad a estructuras reales se requiere el diseño de metodologías eficientes, sistemas y procedimientos de implantación.

La aplicabilidad de los sistemas SHM depende de la tipología de estructura, de su geometría y del tipo de daño que acaece. Una de las técnicas más prometedoras para la monitorización estructural consiste en la caracterización de la respuesta dinámica estructural. La respuesta dinámica de la estructura depende de la

geometría, las propiedades de los materiales y las condiciones de contorno. La premisa básica de los SHM basados en la respuesta dinámica es que una variación de la geometría, las propiedades de los materiales o las condiciones de contorno inducida por el daño, degradación o anomalía estructural, resulta en una variación mesurable de la respuesta dinámica. En términos generales, los métodos SHM basados en la respuesta dinámica pueden clasificarse en dos grupos: métodos basados en modelos y métodos experimentales. En los métodos basados en modelos se compara la respuesta dinámica experimental con la respuesta de un modelo numérico y/o analítico. El principal inconveniente de este procedimiento es la dependencia de un modelo suficientemente preciso y acotado a la estructura objeto de la inspección. En los modelos experimentales se comparan las respuestas dinámicas en un estado prístino y en un estado degradado. Esta comparativa puede realizarse en dominio temporal, frecuencial o modal. El análisis de los datos en domino temporal y frecuencial es complejo y la identificación queda acotada a la detección del daño o anomalía estructural. El análisis de los datos en domino modal permite -teóricamente- alcanzar los niveles de localización y cuantificación, pero la práctica demuestra que el éxito depende de la severidad y la tipología de daño, y no se identifica la anomalía estructural inducida.

De acuerdo con lo expuesto, se presenta la necesidad de desarrollar un nuevo método y sistema de evaluación de la integridad estructural de torres de celosía o reticuladas que cubra las carencias de otros métodos y sistemas de inspección a la vez que satisfaga los requerimientos en dicho campo de aplicación, con el fin de prolongar la vida útil y prevenir posibles fallos catastróficos.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención proporciona un método y sistema no destructivo de autodiagnóstico estructural para la evaluación de la integridad estructural de torres de celosía o reticuladas.

La invención no se limita a la detección del daño o fallo estructural, sino que proporciona una estimación de la localización y la cuantificación del estado de

degradación, y una indicación precoz que alerta de un posible colapso estructural. Además, la invención permite identificar condiciones anómalas de trabajo que induzcan estados de sobrecarga estructural por efectos -entre otros- de la nieve, el viento, la caída de un circuito, una antena, o actos de hurto, vandalismo o sabotaje.

El método y sistema desarrollado se presenta como una solución costo-efectiva que puede ayudar a reducir los costes de mantenimiento de las torres de celosía o reticuladas, aumentando significativamente la celeridad y periodicidad de las inspecciones, minimizando la intervención de operarios y a la par disminuyendo la componente de subjetividad en las tareas de inspección derivada de la intervención humana. Además, no se requiere una monitorización constante dado que el sistema interroga a la estructura en intervalos de tiempo regulares o irregulares definibles, lo que permite reducir el envío y almacenamiento de datos, así como el consumo energético de los dispositivos electrónicos. Por otro lado, el sistema está dotado de una alerta precolapso que envía un aviso con el objeto de evitar daños mayores derivados de la caída de la torre. Asimismo, para su funcionamiento el sistema no requiere de la interrupción del servicio de la torre y admite ser instalado en torres existentes en servicio o de nueva fabricación.

El método desarrollado consiste en la adquisición de las señales de uno o varios sensores instalados y distribuidos en la torre. Se distinguen dos tipos de señales: señales dinámicas y señales estáticas. Las señales dinámicas permiten determinar los parámetros modales, dícese de las frecuencias naturales, amortiguamientos y deformadas modales, y las matrices modales a partir de la función de respuesta en frecuencia de la estructura. Las señales estáticas permiten determinar planos de solicitación de la estructura. El sistema interroga a la estructura en determinados intervalos de tiempo. Tras la estimación de los parámetros y matrices modales en cada instante, se computan los diferentes criterios de correlación modal que son comparados, junto con los resultados del cómputo del plano de solicitación, con patrones dinámicos y estáticos - respectivamente- de la estructura en un estado de referencia prístino.

Alteraciones...

1. Método de evaluación de la integridad estructural de torres de celosía o reticuladas, caracterizado por que comprende:

- adquirir, de una pluralidad de sensores (205) instalados en la torre (201) para la caracterización de la respuesta dinámica estructural, señales dinámicas (106,108) apropiadas para determinar los parámetros y matrices modales de la estructura;

- adquirir, de una pluralidad de sensores (207) instalados en la torre (201) para la caracterización de la respuesta estática estructural, señales estáticas (110) apropiadas para determinar al menos un plano de solicitación de la estructura;

- computar (111), a partir de las señales dinámicas (105, 108) adquiridas, la función de respuesta en frecuencia de la torre (201);

- computar (116), a partir de las señales estáticas (110) adquiridas, al menos un plano de solicitación (302, 304) de la estructura;

- estimar (113,114), a partir de la función de respuesta en frecuencia de la estructura, los parámetros y matrices modales de la misma;

- computar y comparar (115), a partir de los parámetros modales estimados, unos determinados criterios de correlación modal con un patrón dinámico de referencia de la estructura;

- comparar (117) al menos un plano de solicitación (116) estimado con un patrón estático de referencia de la estructura;

- determinar (119), a partir de las comparativas (115,117) con los patrones dinámicos y estáticos de referencia, si se supera un umbral de daño o anomalía estructural definido, en cuyo caso se considera una detección de daño o anomalía estructural.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende determinar, en caso de detección de daño o anomalía estructural, si las variaciones detectadas con respecto a los patrones de referencia superan un umbral de precolapso (121), y en cuyo caso emitir un aviso de precolapso (122).

3. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende:

- obtener de los sensores dinámicos (205) información espacial de la respuesta dinámica de la estructura;

- estimar las frecuencias y amortiguamientos modales (113) y las deformadas modales (114) asociadas a cada modo de vibración y las matrices modales;

- detectar, localizar y cuantificar el daño o anomalía estructural (125) a partir de los resultados de las comparativas de los criterios de correlación modal con el patrón dinámico de referencia de la estructura.

4. Método de autodiagnóstico según reivindicación 3, caracterizado por que la detección, localización y cuantificación del daño o anomalía estructural se basa en criterios de correlación de la deformada modal (C3), de la amplitud local de la deformada modal ponderada (C4), de la curvatura local ponderada (C5) y de las matrices modales (Ce).

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado por que comprende:

- obtener de los sensores dinámicos (205) información local de la respuesta dinámica de la estructura;

- estimar las frecuencias y amortiguamientos modales (113).

6. Método de autodiagnóstico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la detección del daño o anomalía estructural se basa en criterios de correlación frecuencial (C1) y de amortiguamiento modal (C2).

7. Sistema de evaluación de la integridad estructural de torres de celosía o reticuladas, caracterizado por que comprende:

- un sistema de monitorización (103) que dispone de:

un módulo de medición dinámico (104,107) con una pluralidad de sensores dinámicos (205) instalados en la torre (201) para la

caracterización de la respuesta dinámica estructural mediante la adquisición de señales dinámicas (106,108) apropiadas para determinar los parámetros y matrices modales de la estructura;

un módulo de medición estático (109) con una pluralidad de sensores estáticos (207) instalados en la torre (201) para la caracterización de la respuesta estática estructural mediante la adquisición de señales estáticas (110) apropiadas para determinar al menos un plano de solicitación de la estructura;

- un módulo de control (101) en comunicación con el sistema de monitoñzación (103) y configurado para:

computar (111), a partir de las señales dinámicas (105, 108) adquiridas, la función de respuesta en frecuencia de la torre (201);

computar (116), a partir de las señales estáticas (110) adquiridas, al menos un plano de solicitación (302, 304) de la estructura;

estimar (113,114), a partir de la función de respuesta en frecuencia de la estructura, los parámetros modales y matrices modales de la misma;

computar y comparar (115), a partir de los parámetros y matrices modales estimadas, unos determinados criterios de correlación modal con un patrón dinámico de referencia de la estructura;

comparar (117) el al menos un plano de solicitación (116) estimado con un patrón estático de referencia de la estructura;

determinar (119), a partir de las comparativas (115,117) con los patrones dinámicos y estáticos de referencia, si se supera un umbral de daño o anomalía estructural definido, en cuyo caso se considera una detección de daño o anomalía estructural.

8. Sistema según la reivindicación 7, caracterizado por que comprende un módulo de centralita (208) encargado de la adquisición de datos del sistema de monitoñzación (103) y envío de los mismos al módulo de control (101).

9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, caracterizado por que el módulo de medición dinámico dispone de dos configuraciones:

- una configuración activa (104), encargada de inducir y cuantificar una señal de excitación (105) en un determinado rango frecuencial y adquirir la señal de respuesta (106) de la estructura;

- una configuración pasiva (107), encargada de adquirir la señal de respuesta (108) de la estructura sin cuantificar la señal de excitación.

10. Sistema según la reivindicación 9, caracterizado por que el módulo de medición dinámico con configuración activa (104) comprende al menos un sensor y al menos un dispositivo de excitación.

11. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 10, caracterizado por que el módulo de medición dinámico con configuración pasiva (107) comprende al menos dos sensores, uno de ellos empleado de referencia.

12. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado por que los sensores dinámicos (205) del módulo de medición dinámico son acelerómetros piezoeléctñcos, acelerómetros MEMS o vibrómetros láser uniaxiales o multiaxiales.

13. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12, caracterizado por que el módulo de medición estático (109) comprende al menos tres sensores (207) dispuestos sobre las superficies de las barras verticales principales que conforman la torre (201), formando un plano (302) paralelo a la base (202).

14. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 13, caracterizado por que los sensores estáticos (207) del módulo de medición estático (109) son transductores extensométricos unidireccionales o multidireccionales.

15. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 14, caracterizado por que el módulo de control (101) está configurado para determinar, en caso de detección de daño o anomalía estructural, si las variaciones detectadas con

respecto a los patrones de referencia superan un umbral de precolapso (121), y en cuyo caso emitir un aviso de precolapso (122).