“Estetoscopio” para edificios detecta posibles fallas internas mediante vibraciones

 Como un instrumento médico, surge una metodología que permite detectar si un edificio cumple con los parámetros estructurales definidos en su diseño, o si, por el contrario, presenta alteraciones que podrían afectar su estabilidad. Los acelerómetros de alta precisión registran movimientos imperceptibles causados por el viento, el tráfico o pequeños sismos, y con modelos matemáticos avanzados se determina si la estructura mantiene su estabilidad o si presenta fallas que podrían comprometer la seguridad de las personas.

Aunque los edificios son estructuras aparentemente rígidas, vibran constantemente, aunque tales movimientos no siempre son perceptibles. Por ejemplo, el viento genera ondas que hacen que las estructuras se balanceen como las palmeras se mecen suavemente con la brisa.

Para monitorear dichas vibraciones, el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-10) establece la obligatoriedad de realizar monitoreos estructurales, pero no especifica el procedimiento mediante el cual se deben transformar las mediciones en periodos de vibración, lo que deja un vacío en la metodología a seguir.

“Pese a que la norma establece las reglas de juego bajo las cuales los diseñadores estructurales tenemos que proyectar edificaciones sismorresistentes, no estipula una guía para hacerlo”, advierte el ingeniero Eduardo Gómez Guerrero, magíster en Ingeniería - Estructuras de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL).

De ahí surgió su interés para brindar una “receta”, como él la llama, que les permita a estos profesionales conocer paso a paso el procedimiento a seguir con los resultados que les arrojen instrumentos como los acelerómetros.

En esto consiste

Para monitorear las estructuras existen metodologías como los ensayos destructivos, que aunque permiten obtener información detallada sobre el estado estructural de un edificio, requieren intervenciones invasivas que pueden comprometer la integridad de la edificación y generar costos elevados.

Por eso, la metodología en la que enfatiza su estudio se basa en el monitoreo de vibraciones ambientales por medio de acelerómetros, dispositivos que actúan como sensores para verificar si la construcción se comporta tal como se predijo en su diseño, una alternativa no invasiva que además proporciona datos útiles sin afectar la estructura.

El proceso consiste en instalar acelerómetros en distintos puntos de la estructura para captar las vibraciones causadas por el entorno. Estos dispositivos registran cientos de mediciones por segundo generando grandes volúmenes de datos, que luego se analizan mediante un software especializado. Si se detectan desviaciones, estos sensores pueden alertar sobre posibles fallas estructurales.

Para ello se utiliza la transformada rápida de Fourier (FFT), un modelo matemático empleado en procesamiento de señales, y los datos obtenidos se convierten en valores de frecuencia y periodo de vibración. Luego, estos resultados se comparan con los valores teóricos estimados en la etapa del diseño.

“Si ambos coinciden, se confirma que la estructura está en buen estado; una diferencia significativa indicaría problemas como fisuras, grietas, fallas en los materiales o asentamientos inesperados”, explica el ingeniero.

El investigador probó la eficacia de esta metodología aplicándola al Edificio de Aulas de Ciencias Gloria Amparo Galeano Garcés, del campus de la UNAL Sede Bogotá. “Elegimos este edificio debido a su diseño poco convencional. Tiene 3 pisos y se construyó con cilindros de concreto en vez de las típicas vigas y columnas. Además, no tiene muros divisorios ni otros elementos no estructurales que puedan alterar las mediciones”, agrega.

Para ello se instalaron acelerómetros en 9 puntos de la construcción, distribuidos a lo largo de los 3 pisos, y en cada ubicación se recopilaron datos durante 15 minutos, generando 1 millón de registros por sesión. Esto se debe a que el dispositivo toma 500 lecturas por segundo, registrando las aceleraciones en metros por segundo cuadrado (m/s²), lo que permite detectar variaciones rápidas en las vibraciones, similares a los que experimentaría un automóvil ante cambios abruptos en la aceleración.

Los datos de las mediciones se pasaron al modelo matemático y así se corroboró que la metodología es efectiva. Los valores obtenidos en las mediciones experimentales coincidieron con los valores teóricos calculados en el diseño estructural.

“Esto nos demuestra que el procedimiento experimental puede validar la estabilidad de un edificio y detectar posibles desviaciones. Además, nos permite determinar cuando este no tiene los mismos comportamientos estructurales que se asumieron al diseñarlo, como por ejemplo si quedó mal construido o si los materiales utilizados no fueron los adecuados”.

El ingeniero considera que esta metodología abre la posibilidad de desarrollar un sistema de monitoreo permanente, similar a un chequeo médico, para detectar a tiempo signos de deterioro en las edificaciones antes de que se conviertan en un riesgo para la seguridad de las personas. Además, indica que se podría integrar en los planes de mantenimiento preventivo de edificaciones, específicamente en territorios de alta actividad sísmica como Nariño, Cauca, Huila, Valle del Cauca y Chocó.

Rayos cósmicos “marcan” la Tierra para siempre, ¿cómo?

 Los rayos cósmicos, provenientes del espacio exterior, “tocan” toda la superficie terrestre, como lo hace la luz del Sol, pero con partículas subatómicas de alta energía. Su impacto sobre minerales como el cuarzo se puede medir en el tiempo para saber cómo era la Tierra antes de la aparición de los primeros humanos. Estudios adelantados en lugares como la Sierra Nevada del Cocuy-Güicán, el Altiplano Antioqueño y el río Farallones dan pistas sobre el clima, la erosión y la dinámica de los ríos del pasado, y aportan claves para la gestión del riesgo y la adaptación al cambio climático.

La lectura de las rocas se hace con métodos de distintos tipos y niveles de sofisticación, entre los cuales la isotopía cosmogénica es uno de los más revolucionarios, apenas explorado en Colombia.

“Parece una locura, pero así funciona: fuera de nuestro sistema planetario ocurren explosiones estelares que generan ‘radiación cósmica’, una forma de alta energía que, al atravesar la atmósfera, ocasiona una ‘cascada’ de partículas subatómicas (protones, neutrones, muones, piones…) que lo ‘tocan’ todo”, explica el geólogo Sergio Andrés Restrepo Moreno, profesor adscrito al Departamento de Geociencias y Medio Ambiente de la Facultad de Minas de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín.

Por medio de colisiones, algunas de estas partículas “fragmentan” los átomos de minerales como el cuarzo, haciendo que, por ejemplo, el oxígeno y el silicio muten en berilio-10. Gracias a ellas el profesor Restrepo, en cooperación con investigadores de la Universidad de Grenoble Alpes (Francia) y EAFIT (Colombia), establecieron que la Piedra del Peñol –una roca de casi 200 m de altura localizada en Antioquia–, a pesar de formar parte de un altiplano labrado por ríos hace más de 21 millones de años, tardó apenas 2 millones de años en quedar completamente expuesta durante el Cuaternario.

“La isotopía cosmogénica revolucionó las ciencias de la Tierra, pues permite lo que ninguna otra técnica había logrado: abarcar una franja de tiempo amplia que va desde lo reciente –décadas, siglos y milenios– hasta decenas de millones de años, lo que facilita cuantificar la temporalidad y la magnitud de fenómenos que hasta hace poco no se habían podido medir”, agrega.

Para hacer estos análisis, los investigadores viajan a los lugares de interés, toman menos de 1 k de muestra de roca expuesta, y en el laboratorio la trituran, tamizan y separan por gravedad y susceptibilidad magnética para obtener el cuarzo, el mineral donde se almacena el berilio-10 cosmogénico.

“De esa cantidad queda una parte mínima, similar a un polvillo gris, que enviamos a los países que cuentan con los equipos para hacer las mediciones, como Francia o Estados Unidos. Cuanto más tiempo haya estado expuesta la roca mayor será la radiación cósmica recibida, es decir, mayor concentración de berilio-10. Esos datos nos los envían y nosotros los ‘traducimos’ y contextualizamos”, agrega el profesor.

Las glaciaciones en Colombia

El hielo y la nieve que cubren los picos montañosos de Colombia tampoco son estáticos. Su masa, área y volumen dependen del clima: en periodos cálidos o interglaciares disminuyen, y en periodos fríos o glaciales aumentan.

Además, fluyen lento y con fuerza valle abajo, arrastrando –como un gigantesco buldócer– material rocoso que termina acumulándose en forma de morrenas, que son crestas pedregosas situadas al final (morrena frontal) o a los lados (morrena lateral) del glaciar.

Recientemente estas se han estudiado en la Sierra Nevada del Cocuy-Güicán (Boyacá), el Nevado de Santa Isabel (Parque Nacional Natural Los Nevados) y el Páramo del Sol (Antioquia), con el fin tanto de establecer la edad de los ciclos de glaciación y deglaciación como de entender el cambio climático antes del Antropoceno, es decir, antes de que los seres humanos fueran un agente de perturbación de los procesos naturales.

Los estudios se hacen en el trópico colombiano, con expertos como Gordon Bromley, de la Universidad de Galway (Irlanda), y Meredith Kelly, del Darmouth College (Estados Unidos), teniendo en cuenta que el trópico, aunque es el “motor” del cambio climático y la puerta de entrada de la mayor cantidad de radiación solar, ha sido poco estudiado en este sentido.

“En las morrenas del país encontramos unos datos preliminares con los que concluimos que la deglaciación en el Máximo Tardiglaciar (inicio del deshielo que llevó al Holoceno, o últimos 11.000 años) se disparó rápido, y con diferencias temporales entre localidades, hace unos 15.000 o 17.000 años”, cuenta el geólogo.

Estos datos sirven para entender el cambio climático del pasado y sus efectos en los ecosistemas de alta montaña, que son reservorios naturales de vida y agua. “Así mismo, ayudan a comprender los ritmos del cambio climático-ambiental moderno y permiten diseñar medidas para la mitigación y la adaptación, entendiendo, por ejemplo, qué parámetros ejercen controles locales: la topografía, las fuentes de humedad o la circulación atmosférica, entre otros”.

Evolución del paisaje y riesgo para las comunidades

Según la Unidad de Gestión del Riesgo de Desastres, en el último siglo cerca de 1,5 millones de personas en Colombia han sido damnificadas por avenidas torrenciales y deslizamientos de tierra por lluvias, por eso es fundamental seguir estudiando estos fenómenos de forma transdisciplinar.

Con la isotopía geológica berilio-10 se han analizado las edades de grandes bloques de rocas arrastrados por este tipo de eventos, con el fin de establecer algunos datos sobre su periodicidad y magnitud.

En la cuenca del río Farallones de la cordillera Occidental (Antioquia), encontraron que la edad aproximada de algunos de estos depósitos era de 7.000 años, lo que coincide con un periodo de lluvias muy fuertes en la región.

“Así conectamos clima y respuestas geomorfológicas pretéritas que pueden dar claves sobre amenazas naturales o antrópicas para la sociedad moderna. Además, este evento pluvial se había  registrado en el norte de Suramérica, el Amazonas y el Orinoco, por otros grupos de investigación, y nosotros confirmamos que también impactó los Andes tropicales”, continúa.

Con esta información es posible desarrollar modelos fluviales asistidos por computador, para observar cómo se comportaría una creciente o una avenida torrencial al modificar parámetros como la precipitación media anual, la cobertura vegetal y las pendientes.