KINESIA
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Madrid, 02/12/2021
big data & smart data
KINESIA Ingeniería nace en julio de 1988 y actualmente lleva 33 años de trabajo ininterrumpido en el campo del análisis experimental de estructuras. A lo largo de esas décadas, las instrumentaciones han evolucionado de un puñado de sensores estáticos medidos unas pocas veces al día a cientos de sensores dinámicos medidos continuamente a alta velocidad. Los antiguos retos de cómo medir (1980) y cómo transmitir (2000) se han transformado en cómo analizar (2020) un volumen tan grande de datos. Esto es, se ha pasado de un problema de instrumentación a otro de conectividad y, de éste, a uno de big data. Kinesia ha afrontado la situación con dos tecnologías propias: metabases de datos y autoanálisis. Las metabases son bases de bases de datos que permiten gestionar miles de archivos dinámicos como si de uno solo se tratara. El autoanálisis consiste en delegar en el propio sistema de monitorización una parte importante del proceso y análisis de datos, aprovechando un recurso del que toda estructura instrumentada dispone en abundancia: tiempo. Hablamos de procesos estadísticos y espectrales llevados a cabo autónomamente in situ sin la asistencia del ingeniero, a quien finalmente llega una información elaborada de alto nivel y gran aplicabilidad: smart data.

Agradecemos a los clientes y amigos la confianza y el apoyo que durante estos años nos han otorgado, haciendo posible que esta pequeña empresa haya sido más grande en ideas y realizaciones.

quality data
La enorme cantidad de datos que genera una instrumentación moderna no oculta la realidad de que de nada sirven si no son de calidad. Todo software de proceso está sujeto al principio GIGO (garbage in, garbage out): si entra basura, sale basura, por refinado que sea el tratamiento. KINESIA utiliza técnicas propias de medida que logran resoluciones de 0.1 microdeformaciones y son estables a largo plazo, libres de ruido y de derivas no estructurales.
precisión en la observación
equivale a precisión en el pensamiento
Wallace Stevens
Nuestra especialidad son los grandes puentes (carretera y ferrocarril) y los grandes edificios (catedrales, estadios y monumentos), tanto en fase de construcción como de explotación. El objetivo es conocer el estado y comportamiento de las obras de forma continua para facilitar su gestión integral, proporcionar conocimiento y detectar patologías. Contamos en nuestra historia con más de 100 estructuras monitorizadas que suman más de 150 años de control y más de 10,000 sensores instalados.
plataforma
Nuestra plataforma de monitorización está construida sobre la aplicación Merlin, quien provee todas las funcionalidades necesarias en cada uno de los tres ámbitos que componen la red: estructuras (fuentes), centro de datos (réplicas) y analistas finales (usuarios). Con estructuras y analistas, Merlin funciona como aplicación de escritorio; en el centro de datos, Merlin opera como portal web.

La plataforma es universal y admite datos externos (como topografías robotizadas o sensorizaciones de terceras partes) que se integran automáticamente en tiempo real. Así mismo, es compatible con los filtros y cortafuegos de seguridad de grandes empresas y administraciones públicas (opera sobre protocolo http estándar).



ecosistema
Al estar presente en los tres ámbitos de la plataforma, Merlin crea un ecosistema en el que estructuras, centro de datos y analistas conviven mediante una red bidireccional que opera en tiempo real a través de internet. La plataforma se encarga de mantener sincronizadas las bases de datos de todos los nodos a fin de que los análisis de toda la comunidad de usuarios sean concomitantes. El rol principal lo ejerce el centro de datos, que organiza el tráfico, mantiene la tabla de estructuras y genera las páginas web. Los usuarios pueden monitorizar la obra vía web (navegador) o vía Merlin (aplicación de escritorio).
historia
Desde el nacimiento de la empresa (1988) hasta nuestros días, la monitorización de estructuras ha producido un ingente volumen de datos que ha habido que gestionar, analizar y almacenar. Hace 30 años, era habitual que los sistemas instrumentales estuvieran activos sólo durante determinadas maniobras de construcción o unas pocas horas al día (eran dependientes de pequeños grupos electrógenos). De forma automática, se realizaban tomas de datos con intervalo largo de 30 minutos, en parte porque la capacidad de los discos duros era limitada y en parte porque el soporte de transmisión —el humilde diskette— tenía una capacidad mucho más limitada aún. Así, en la época de construcción del puente del Alamillo (Sevilla, 1990), cada floppy disk de 360K albergaba los datos de un mes.

Poco a poco, tras esta simbólica obra, comenzaron a generalizarse las instrumentaciones con transmisión de datos a través de modem y línea telefónica en aquellas obras cuyo entorno urbano lo permitía. Ejemplos de ello son la torre de la Giralda (Sevilla, 1999), el centro comercial Bonaire (Valencia, 1999), el puente del Iregua (Logroño, 2001) y el puente del Infante (Porto, 2003).

La aparición de internet hizo posible soñar con transmisiones inalámbricas que inicialmente requirieron aparatosas pantallas parabólicas orientadas hacia lejanos satélites estacionarios. En este grupo tenemos el icónico viaducto de Almonte (Cáceres, 2003, primero de España en utilizar esta tecnología), el viaducto de Montabliz (Cantabria, 2005) y el viaducto de Arroyo del Valle (Madrid, 2007).

El desarrollo de la telefónia móvil abrió la puerta definitiva al seguimiento continuo. Al principio, de tipo estático, como en el citado viaducto de Almonte; y, después, de tipo dinámico, como en el viaducto de Alconétar (Cáceres, 2009). Ésta fue la primera obra en que una monitorización de construcción fue ineludiblemente seguida de otra en servicio para verificar que las fuertes vibraciones aeroelásticas detectadas durante la construcción habían sido definitivamente neutralizadas.

Un caso interesante de monitorización y análisis en tiempo real ha sido el del estadio de fútbol del Real Madrid (Madrid, 2014), controlado durante varios partidos de alta tensión deportiva para cuantificar y solucionar el elevado nivel vibratorio de carácter resonante que la hinchada del fondo sur provocaba en los graderíos aledaños.

Las últimas grandes monitorizaciones de nuestra plataforma han elevado el volumen de datos a otro orden de magnitud. Hablamos de estructuras atirantadas dotadas de mucha acelerometría, como el puente de Cádiz (2011), el puente de Rande (Vigo, 2016) y el puente del Centenario (Sevilla, 2019). Los datos dinámicos son incontables. Tan solo el puente del Centenario se generan y procesan (in situ) 900 millones de valores al día.

modelos
"Merlin" es un nombre acrónimo de Modelo Estadístico Regresivo Lineal. Aunque nació como una herramienta separada, rápidamente se integró en la aplicación general a la que da nombre. En este campo, la habilidad de Merlin es descomponer un efecto (flecha, giro, tensión, deslizamiento) en suma ponderada de causas (cargas, viento, irradiación, gradiente térmico), lo que facilita el entendimiento y la proyección a futuro de muchos fenómenos estructurales. Puede utilizar, como variable explicativa, cualquier parámetro real medido así como cualquier parámetro virtual derivado, a los cuales puede añadir funciones de alto nivel como ciclos (diarios y estacionales), comportamiento reológico (fluencia y retracción), escalones (abiertos y cerrados) y derivas patológicas. Así mismo, permite decalar libremente las variables en el tiempo para expresar efectos de inercia. El programa rechaza aquellas variables explicativas que no son suficientemente concurrentes con la variable analizada (exclusión por correlación) y sabe escoger entre parejas explicativas que representan estrechamente una misma acción (exclusión por colinealidad). Cuantifica el peso de cada causa (principio de superposición), ajustando el modelo en pocos segundos. El análisis de residuos ayuda a entender qué parte del fenómeno ha quedado sin explicación.

Merlin no hace magia, pero a veces lo parece.

puente de cádiz
El puente de Cádiz (formalmente, puente de la Constitución de 1812 ) es el de mayor envergadura de la Red de Carreteras del Estado. Cruza la bahía de Cádiz, uniendo esta ciudad con la vecina Puerto Real a través de la provincial CA-35. Tiene una longitud total de 3.092 m, que se dividen en un tramo terrestre de 1.182 m y un tramo marítimo de 1.910 m.

El tramo terrestre está resuelto con tableros de hormigón en viga cajón de 75 m de luz para los vanos tipo y con losa aligerada de 40 m de luza para los vanos cortos. Por su parte, el tramo marítimo combina tres soluciones diferentes: un puente atirantado de 540 m de luz, un tramo desmontable metálico biapoyado de 150 m de luz y un puente mixto continuo de acceso a Cádiz. Todo ello hace que, en realidad, se trate de 4 puentes yuxtapuestos, con diferentes tipologías y peculiaridades. El vano desmontable (noveno desde Cádiz) pesa 4.000 t y su izado y colocación constituyeron una maniobra de delicada precisión.

El puente de Cádiz cierra una etapa en la historia de KINESIA, que ha participado en su construcción y seguimiento desde febrero de 2011 hasta diciembre de 2018. Durante esos 8 años, Kinesia ha monitorizado fuerzas en tirantes, tensiones en tablero, movimientos en torres, reacciones en apoyos, izado de dovelas, colocación del vano desmontable, velocidades de viento y, en general, vibraciones en toda la estructura. Todo ello requirió la instalación y mantenimiento de un sistema de adquisición de datos compuesto por 700 sensores estáticos y 30 sensores dinámicos, complementados con 1600 prismas topográficos. La masa de datos generada fue de 700 millones de valores estáticos y de 15.000 millones de valores dinámicos.

Todo el equipo técnico involucrado en el seguimiento (dirección de obra, asistencia técnica, oficina de proyecto, empresa constructora) pudo recibir y analizar en tiempo real esta información a través de nuestra plataforma de monitorización —en la que estaba integrado el servicio de topografía robotizada de obra— y de nuestro software de escritorio Merlin.

puente del centenario
El puente del Centenario (Sevilla) está ubicado entre los PK 10+000 y 12+000 de la autovía SE-30 de circunvalación de la ciudad de Sevilla, cruzando la dársena del río Guadalquivir. Tiene una longitud total de 2016m, con un vano principal de 265m de luz y un gálibo para navegación de 45m. Fue inaugurado en 1992 y en la actualidad (2019-2021) es objeto de vigilancia y monitorización en tanto se acometen las obras de ampliación de tablero y sustitución de tirantes, elementos éstos en los que se han observado signos de corrosión que puedan hacer temer el final de su vida útil y una eventual rotura. A este respecto, cabe señalar que, al inicio de este trabajo, el puente no disponía de ningún sensor de control (células de carga) de fuerzas en tirantes. Por este motivo, se dicidió instalar un sistema de monitorización, de carácter principalmente dinámico, que permitiera auscultar las fuerzas y vibraciones de los tirantes en tiempo real. Esta instrumentación fue complementada con otra de tipo estático orientada al registro de temperaturas (ambiente y en materiales), giros en torres de atirantamiento y movimientos verticales y horizontales en tablero.
a) auscultación dinámica
La auscultación dinámica ha consistido, fundamentalmente, en la monitorización en tiempo real de la fuerza de los 88 tirantes de que dispone el puente. Para ello se han utilizado acelerómetros externos sobre las vainas de los mismos, muestreados de forma continua a razón de 100 lecturas por segundo y sensor. Eso genera, junto al resto de los sensores, una masa de datos cercana a los 900 millones de valores al día. Los datos se procesan en el dominio de la frecuencia y se aplica al espectro un algoritmo automático que determina la frecuencia del modo principal de vibración. La dificultad de este procedimiento radica en que a veces el modo principal no está presente, o no tiene armónicos, o éstos son fuertemente inarmónicos o se confunde con una frecuencia propia del tablero. Además de la frecuencia propia de cada tirante, se calculan otros 15 parámetros característicos, como aceleraciones máximas, medias, cuadráticas (RMS), etc. Todo ello permite un primer nivel de control, vía web, como muestran las figuras siguientes.
El sistema es completamente automático, no requiriendo actuación humana en ningún momento. Para la determinación de las fuerzas de los tirantes se aprovecha la vibración de fondo generada por la brisa y el tráfico rodado. La resolución en frecuencia es de 0.0001Hz, lo que permite detectar no sólo la diferencia entre días, sino también los sub-ciclos dentro de un mismo día. La figura siguiente muestra la variación de frecuencias y fuerzas de un tirante a lo largo de una semana (5 días laborales con tráfico y 2 días de fin de semana con menos tráfico). Las noches son cortas (en lo que a trabajo de los tirantes se refiere) y a lo largo del día hay máximos relativos en torno a las 12 y a las 17h. La resolución es importante porque el rango de variación pico-pico de frecuencias a lo largo de toda la semana es de sólo 0.0087Hz (equivalentes a 60kN de fuerza).
b) auscultación estática
El tablero no está coaccionado a su paso por las pilas P14 y P15, así que tiene desplazamientos relativos respecto a las mismas. Los canales del sistema de medida que registran dichos movimientos son C1 y C5, que se muestran en la figura siguiente en colores rojo y azul. A primera vista, se diría que C1 y C5 son completamente diferentes ya que C1 (rojo) exhibe un comportamiento estacional (lento, de ciclo anual), en tanto que C5 (azul) presenta una historia más errática. Lo que sucede es que el tablero tiene realmente un comportamiento simétrico en lo relativo a la dilatación lineal, enmascarado por un comportamiento antimétrico en lo relativo al gradiente térmico horizontal longitudinal de las torres.

Podemos sintetizar el movimiento C1 como suma de las dos componentes mediante un modelo multivariante, cuyo resultado (color verde) puede resumirse en:

  • El modelo es explicativo en un 97%
  • Por cada grado centígrado de variación de temperatura media en el tablero, el tablero se desplaza -1.28mm (hacia la izquierda)
  • Por cada grado centígrado de variación de gradiente longitudinal en torres, el tablero se desplaza 6.53mm (hacia la derecha)

De la misma forma, podemos sintetizar el movimiento C5:

  • Por cada grado centígrado de variación de temperatura media en el tablero, el tablero se desplaza 1.33mm (hacia la derecha)
  • Por cada grado centígrado de variación de gradiente longitudinal en torres, el tablero se desplaza 6.21mm (hacia la derecha)

Quiere esto decir que el giro de las torres provoca movimientos positivos en C1 y C5, mientras que la dilatación del tablero provoca movimientos negativos en C1 y positivos en C5. Esto es debido a que las torres P14 y P15 comparten orientación y gradiente térmico (se deforman paralelamente), en tanto que las dilataciones longitudinales del tablero son de signo contrario.

Si restamos los movimientos C1 y C5, el giro de las torres se cancela y las dilataciones térmicas del tablero se suman. Dicha suma representa el alargamiento global del tablero (color rojo), que puede ser modelizado (color verde) frente a la acción térmica con los siguientes resultados:

  • Por cada grado centígrado de variación de temperatura media en el tablero, el tablero se desplaza 2.61mm
  • La participación del gradiente longitudinal de torres queda cancelada

Cabe destacar que el valor obtenido en el modelo, 2.61mm/ºC, es apreciablemente coincidente con la dilatación teórica que cabría esperar en un vano de 265m de luz entre pilas con un coeficiente de dilatación térmica de 1x10-05.

Análogamente, si sumamos los movimientos C1 y C5, las dilataciones térmicas del tablero se cancelan entre sí y el efecto del giro de torres se duplica. Por ello, modelizando entonces la variable (C1+C5)/2 (color rojo), se obtienen los siguientes resultados (color verde):

  • Por cada grado centígrado de variación de gradiente longitudinal en torres, el tablero se desplaza 6.34mm
  • La participación de la temperatura media del tablero queda cancelada

Finalmente, puede verse que C1 y C5 son simétricos en lo relativo a la dilatación lineal restando a sus respectivos históricos la componente del giro de torres obtenida en el modelo anterior (parte antimétrica).

kinesiología o café con aristóteles
Bikentios
El nombre de Kinesia proviene de la voz griega kinesis, que significa movimiento y es un término común a muchas disciplinas:
  • En filosofía, para Aristóteles, kinesia es el paso de la potencia (dynamis) al acto (entelechia). Movimiento es el acto imperfecto de lo que está en potencia en tanto sigue estando en potencia. Es un estado intermedio entre potencia y acto, no siendo ni lo uno ni lo otro sino el tránsito del uno al otro

  • En física, cinemática es el área que estudia el movimiento de los cuerpos (sin considerar las causas que lo provocan) y cinética es la energía que poseen los cuerpos en virtud de su movimiento

  • En química, cinética es el área que estudia la velocidad con que ocurren las reacciones

  • En medicina, kinesia es la acción del sistema nervioso central manifestada a través de los músculos, y kinestesia es el conjunto de sensaciones que tiene una persona sobre su propio cuerpo (movimiento muscular, peso, posición, sentido del equilibrio)

  • En sociología y antropología, kinesia es la comunicación no verbal expresada a través de los movimientos del cuerpo (postura, gestos, expresión, mirada)

  • En parapsicología, psicocinesia y telequinesia son fenómenos parafísicos en los que la mente influye dinámicamente sobre la materia y la pone en movimiento. (En KINESIA nos hubiera gustado disfrutar de este significado. Hubiera sido útil y divertido para la siempre difícil excitación dinámica de las grandes estructuras y para el acceso a los puntos de instrumentación imposible.)

Nuestro trabajo habitual se desarrolla en torno a la arteología del movimiento. Arteología es la ciencia de los artefactos, entendidos éstos como cualquier cosa hecha por el hombre (obra de arte, aparato, programa informático, servicio). Deriva del latín ars, sinónimo del griego tekhne. Arte y técnica significaban, en los tiempos clásicos, la misma cosa: cualquier habilidad humana. El neologismo arteología surge de la necesidad de expresar conceptos distintos de los abarcados por la tecnología, que es la ciencia de la producción de cosas (particularmente, de las relacionadas con la industria y la ingeniería). Lo de artefactos nos sienta como anillo al dedo, pues siempre estamos rodeados de cachivaches.

Estudiamos el movimiento de las cosas en dos vertientes:

  • En sentido físico

  • Como tránsito aristoteliano entre estados

Es decir, hacemos:

  • Ensayos dinámicos

  • Seguimiento estructural

Tratamos de rellenar el espacio existente entre Proyecto y Obra, tomando datos que convertir en conocimiento, habitando la frontera entre la teoría y la empiria.

Los datos son información. El conocimiento es ciencia. La sabiduría es... ese algo más de imposible definición.

Pero la sabiduría requiere conocimiento:

  • El grado sumo del saber es contemplar el porqué
    (Sócrates, filósofo griego)

Y el conocimiento requiere datos:

  • La brecha entre teoría y práctica no es tan grande en teoría como en la práctica
    (Anónimo)

Entonces:

  • ¿Dónde está la sabiduría que hemos perdido con el conocimiento?
    ¿Y dónde está el conocimiento que hemos perdido con la información?
    (TS Elliot, poeta estadounidense)
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