Un grupo de matemáticos de la Universidad de Clarkson y un ingeniero civil desarrollaron un enfoque pasivo y no invasivo para "escuchar" una colección de señales relevantes de puentes y otras estructuras mecánicas para diagnosticar cambios o daños.

Como informa el grupo esta semana en Caos , su enfoque implica la instalación de sensores de acelerómetro en varios lugares a lo largo de un puente para medir cómo se perturba cada pequeña parte del puente en respuesta a la conducción de un camión.

"Las señales de los sensores cerca de la carga del camión son relevantes, pero también lo están las señales lejanas porque reaccionan cuando la estructura del puente se flexiona bajo su carga y toda la estructura oscila como una cuerda de guitarra, pero obviamente más complicado, "dijo Erik M. Bollt, un profesor de W. Jon Harrington en el Departamento de Matemáticas de la Universidad de Clarkson, ubicado en Potsdam, NUEVA YORK.

Las aceleraciones sirven como "un medio de escucha de las fuerzas y aceleraciones que viajan a través de la estructura, ", Dijo Bollt." Se espera que las señales que viajan a través de la estructura cambien si el puente sufre un cambio, como una grieta dentro de la estructura o si algunos de los pernos que la sujetan se aflojan deliberadamente ".

Una parte central del análisis del grupo es una técnica de procesamiento de datos llamada "interacción óptima de información mutua, "que fue desarrollado para identificar interacciones directas significativas entre componentes individuales dentro de un sistema.

"Nuestra técnica adopta ideas de la teoría de la información y la comunicación y utiliza rutinas de estimación estadística de última generación, "dijo Jie Sun, profesor asistente en el Departamento de Matemáticas de la Universidad de Clarkson. "El concepto clave es buscar interacciones que sean más relevantes para el aumento de la previsibilidad de las oscilaciones del puente. Si la estructura del puente se ha alterado debido a daños o deformaciones, se espera que los detalles cambien, permitiéndonos detectar el estado de salud del puente ".

El trabajo del grupo se destaca porque reúne dos aspectos únicos para detectar daños dentro de puentes u otras estructuras mecánicas.

"Uno es la naturaleza automatizada y no invasiva del proceso de recopilación de datos, ", Dijo Sun." La otra es la herramienta de análisis de datos que desarrollamos, lo que puede inferir un flujo de información directo e interacciones significativas. Combinándolos, somos capaces de detectar, solo a partir de los datos, la presencia de cambios estructurales dentro del puente como controlados y variados en nuestro experimento ".

Por el camino, los tres matemáticos involucrados encontraron algunos defectos estructurales interesantes revelados por el análisis de datos de interacciones significativas, lo que los desconcertó durante mucho tiempo porque simplemente no tenía sentido.

"Nuestro análisis sugirió un 'límite' en el medio del área cubierta donde no hay un patrón o defecto estructural aparente, ", Dijo Sun." Después de largas conversaciones con nuestro colaborador ingeniero civil, Kerop Janoyan, profesor de ingeniería civil en la Universidad de Clarkson, finalmente nos dimos cuenta de que habíamos estado confundidos todo el tiempo porque el área cubierta no es el puente completo en el experimento, sino más bien una tercera parte y el 'límite' que descubrimos es precisamente donde hay un límite estructural:alguna estructura de soporte debajo ".

Los puentes son omnipresentes, por lo que es importante poder detectar daños estructurales lo antes posible para evitar resultados desastrosos. Pero la detección de daños estructurales, que a menudo se hace manualmente, puede ser costoso y en muchos casos no es efectivo.

Dado que el trabajo del grupo combina tecnología de detección moderna con herramientas de análisis de datos de última generación para automatizar este proceso, "se puede utilizar para la detección temprana de cambios y daños estructurales antes de requerir la inspección por parte de un ser humano, "Dijo Bollt.

Este enfoque se puede utilizar junto con instrumentación económica para todo tipo de estructuras, desde puentes hasta turbinas eólicas, edificios a aviones.

"Los acelerómetros se están volviendo tan baratos que los encontramos incluso dentro de los teléfonos móviles, por lo que esto se convertirá en una avalancha de datos, sirviendo como un matrimonio de análisis de big data moderno con monitoreo de salud estructural, "Dijo Bollt.

El grupo ahora está trabajando para implementar su enfoque.

"En el lado más teórico, estamos construyendo una base de datos de modelos de puentes que se pueden simular y probar fácilmente a través de computadoras para calibrar los parámetros en el método, y también estamos desarrollando estimadores estadísticos mejorados para producir resultados más precisos más rápido, ", Dijo Bollt con el acuerdo de Sun." En el lado experimental, colaboramos con laboratorios para probar nuestros métodos para otras estructuras, incluidas las alas de los aviones en diversas condiciones ".