Cadenas de inclinómetros: guía para la reconstrucción del perfil de deformación estructural

Una cadena de inclinómetros es un conjunto de sensores dispuestos a distancias conocidas a lo largo de un eje común, cada uno de los cuales mide la rotación local del segmento de estructura al que está fijado. Sumando las contribuciones de los distintos segmentos, un software reconstruye la deformada, es decir, la forma que asume la estructura en el tiempo.

Aunque el concepto es sencillo, una cadena permite extraer información que el inclinómetro individual no puede proporcionar: dónde se concentra la deformación a lo largo de una pila, a qué profundidad se encuentra una superficie de deslizamiento en una ladera, cómo evoluciona la flexión de una pantalla durante una excavación.

Por qué un único inclinómetro a menudo no basta

Un inclinómetro instalado en la coronación de una pila de puente de 12 metros que mide una rotación de 0,002° proporciona un dato correcto pero ambiguo. Esa rotación puede derivar de la formación de una rótula plástica en la base del fuste, de una flexión distribuida a lo largo de la altura, de un asentamiento diferencial de la cimentación que inclina la pila entera como un cuerpo rígido, o de la combinación de varios mecanismos.

Los tres escenarios requieren intervenciones distintas y tienen implicaciones completamente diferentes sobre la vida residual de la estructura. El sensor individual no los distingue. Una cadena de sensores distribuidos a lo largo de la altura devuelve, en cambio, la forma de la deformada y permite atribuir el movimiento al mecanismo correcto.

Cómo está hecha una cadena

El dato recogido por una cadena es un vector de ángulos, registrados con marcas de tiempo sincronizadas. El eje común a lo largo del cual se disponen los sensores puede tener tres geometrías principales.

Geometría vertical

Es la configuración más común. La cadena baja por un sondeo a lo largo de una ladera, sube por el fuste de una pila de puente o recorre el pilar de un edificio en altura. La dirección medida es ortogonal al eje de instalación.

Geometría horizontal

En este caso la cadena recorre una superficie sustancialmente horizontal: la fachada de un edificio histórico, el extradós de un arco, el tablero de un puente. La magnitud reconstruida es el asentamiento diferencial entre los nodos.

Geometría curva

Más rara, pero útil sobre arbotantes o intradoses de bóvedas. Solo es aplicable si el segmento entre dos sensores sucesivos puede considerarse rectilíneo, con la geometría curva reconstruida por discretización.

La distancia entre sensores, normalmente comprendida entre 0,5 y 10 metros, depende de la escala espacial del fenómeno deformativo esperado. Una pila en la que se prevé la formación de una rótula plástica en la base requiere una densidad mayor en esa zona. Una pantalla con un soporte intermedio requiere sensores en correspondencia con los anclajes. El espaciamiento uniforme es la opción más sencilla de proyectar y rara vez la más eficaz.

Dónde se utilizan las cadenas

Las cadenas de inclinómetros aparecen en todos los principales ámbitos de la monitorización estructural.

Pilas y pilonos de puentes

Una cadena vertical a lo largo del fuste de una pila de hormigón armado distingue entre deformación a flexión, rotación rígida de la cimentación y formación de rótulas plásticas. En los puentes clasificados como de Atención Alta según las Directrices de Puentes del CSLP, la cadena es una de las herramientas más eficaces para detectar la evolución lenta de asentamientos de cimentación antes de que el daño se haga visible.

Pantallas y excavaciones profundas

Durante una excavación contigua a edificios existentes, una cadena instalada en la pantalla permite seguir en tiempo real la deformación del sistema de sostenimiento. La cadena pone de manifiesto si la pantalla se está flectando hacia la excavación, rotando en cabeza o cediendo como un bloque rígido. Es una información fundamental para la seguridad de la obra y para la gestión del contencioso con la propiedad colindante.

Laderas y taludes inestables

Una cadena bajada en un sondeo a través de una ladera activa permite localizar la profundidad de la superficie de deslizamiento. Un único inclinómetro indica que la ladera se mueve, pero no a qué cota. Con la cadena es posible identificar el estrato que está cediendo y proyectar las medidas de estabilización en consecuencia.

Edificios históricos y monumentales

Una cadena horizontal sobre la fachada de una iglesia, un palacio histórico o una torre permite monitorizar asentamientos diferenciales de la cimentación. Sobre estructuras rígidas y frágiles, estos asentamientos producen cuadros de fisuración que se hacen visibles solo cuando el daño estructural ya está en curso.

Edificios en altura y estructuras verticales

En los pilares de edificios de varias plantas, la cadena vertical se utiliza para monitorizar la verticalidad durante la construcción, los drifts residuales postsísmicos y las deformaciones térmicas estacionales.

Túneles y obras subterráneas

En galerías, pozos y cavernas, las cadenas miden la convergencia del revestimiento, la rotación de las estructuras de emboquille y los asentamientos de los edificios situados encima durante el avance de una tuneladora TBM.

Cómo se reconstruye la deformada

El principio de cálculo es sencillo. Cada sensor mide un ángulo. Ese ángulo, multiplicado por la longitud del segmento de estructura asociado al sensor, proporciona un desplazamiento horizontal relativo entre los extremos del segmento. Sumando segmento a segmento, partiendo de un nodo de referencia, se reconstruye la posición de todos los puntos a lo largo de la cadena.

El nodo de referencia es el punto desde el cual arranca la integración y del cual se asume conocido el desplazamiento, típicamente nulo. En una cadena en sondeo, la referencia es el fondo del taladro, que se supone anclado en roca estable. En una cadena sobre pila de puente puede ser la base, si se considera la cimentación fija, o la coronación, si se considera quieta la parte superior. La elección de la referencia es una decisión ingenieril y modifica el significado del perfil reconstruido.

Cuando la referencia no es realmente fija, el perfil reconstruido es relativo, no absoluto. Para obtener desplazamientos absolutos es necesario complementar la cadena con un anclaje externo independiente, como una estación GNSS o un punto topográfico de control.

El gráfico de la deformada y qué representa

La salida de una cadena es un gráfico bidimensional. En un eje se representa la posición a lo largo de la estructura, es decir, la cota de cada sensor a lo largo del eje de la cadena. En el otro se representa el desplazamiento horizontal reconstruido. Para cada instante temporal se obtiene una curva, y la animación de las curvas en el tiempo devuelve la evolución de la deformada.

La forma de la curva describe el mecanismo. Un perfil lineal indica una rotación rígida del elemento. Un perfil curvilíneo indica flexión distribuida a lo largo de la altura. Un punto de inflexión marcado indica una concentración de esfuerzos localizada, típicamente una rótula plástica en la estructura o una superficie de deslizamiento en el terreno. Un desplazamiento rígido entre dos porciones del perfil indica una discontinuidad estructural o geotécnica.

Comparando perfiles en instantes sucesivos se obtiene la deformación incremental, es decir, cuánto ha cambiado la deformada en un intervalo definido. Superponiendo la deformada a datos ambientales (temperatura, lluvia, eventos sísmicos, fases de obra) se separa la contribución de los distintos factores, distinguiendo por ejemplo una deformación térmica reversible de una mecánica progresiva. Es este paso, de la rotación local a la deformada y de la deformada al mecanismo, el que transforma el dato bruto en información decisional.

El Tiltmeter Chain Tool de MyMove

Move Solutions ha desarrollado el Tiltmeter Chain Tool, un módulo de la plataforma MyMove que automatiza el cálculo de la deformada a partir de los datos de las cadenas de inclinómetros Move. El módulo gestiona la integración segmental a partir del nodo de referencia configurado, la sincronización de las marcas de tiempo entre los sensores de la cadena, la representación animada de la deformada en el tiempo y el análisis diferencial segmento a segmento para identificar concentraciones anómalas de rotación.

La lógica subyacente es la misma que aplican desde hace décadas los inclinómetros manuales en sondeo: discretizar la estructura en elementos, asignar a cada elemento el ángulo medido y sumar los desplazamientos. Lo que cambia es que la lectura se realiza de forma continua y remota, en lugar de una vez al mes con un operador en campo.

Lo que una cadena no mide

Una cadena reconstruye la deformada a lo largo de un eje. No detecta componentes de rotación fuera de ese eje, a menos que se utilicen inclinómetros biaxiales con un análisis adecuado. No detecta asentamientos uniformes de la estructura completa: si todo desciende del mismo modo, los segmentos permanecen paralelos a sí mismos y la suma de las rotaciones se mantiene nula. No detecta fenómenos dinámicos rápidos, como la respuesta sísmica o el paso de un convoy, porque la frecuencia de muestreo habitual de las cadenas es del orden de los minutos, no de los milisegundos.

En una campaña de monitorización completa, la cadena de inclinómetros convive con acelerómetros para la respuesta dinámica, sensores ambientales para separar los efectos térmicos de los mecánicos y, donde la naturaleza del fenómeno lo exige, una referencia topográfica externa que elimine la ambigüedad del punto fijo. La fuerza de la cadena reside en su capacidad de devolver una visión espacial de la deformación a lo largo de un eje. Su debilidad es que sigue siendo una proyección monodimensional de un fenómeno que en la realidad es tridimensional.

Las evoluciones en curso sobre los sensores MEMS inalámbricos, desde la extensión de la vida de la batería hasta la mejora de la compensación térmica, están desplazando gradualmente el límite de aplicabilidad de las cadenas hacia fenómenos más lentos y estructuras más grandes. Es en este espacio donde se jugará la próxima generación de campañas de monitorización estructural.

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