Nuevas técnicas de identificación estructural basadas en vibraciones

Abstract

Es bien conocido que el daño altera ciertas propiedades físicas de las estructuras, como la rigidez y el amortiguamiento, influyendo éstas en su respuesta dinámica. Así, el estado de una estructura se puede inferir a partir del análisis de sus vibraciones. El conjunto de las técnicas de identificación de daño basadas en vibraciones se conoce en la literatura como ``Monitorizado Estructural'' y constituyen un complemento y a veces alternativa a la inspección visual y otras técnicas tradicionales de mantenimiento estructural. Los beneficios del monitorizado estructural son el aumento de la fiabilidad, la prolongación de la vida útil y la reducción de costes de mantenimiento de estructuras y sistemas mecánicos. Aunque en las últimas décadas se han realizado numerosas investigaciones en este campo aún existen líneas abiertas, sobre todo en la búsqueda de técnicas que sean aplicables en estructuras reales. En esta tesis se desarrollan dos técnicas novedosas en el campo del monitorizado estructural. La primera es una técnica de detección de daño incipiente en estructuras de tipo voladizo. Para la detección se desarrolló una nueva variable característica llamada ``longitud de la señal''. Esta característica se extrae ``off-line'' de la vibración libre correspondiente al primer modo de la estructura medida en un solo punto. La detección se basa en el control estadístico de esta variable según teoría de extremos y análisis de rachas. La segunda es una técnica multipropósito que se aplica a la identificación directa de modelos analíticos, a la readaptación de modelos de elementos finitos y a la localización y cuantificación de daño. Ésta se enfoca como la minimización de una función de error definida en el dominio del tiempo que mide la diferencia entre la señal medida y la pronosticada por el modelo. La minimización se lleva a cabo mediante un novedoso algoritmo estocástico adaptativo que opera en un espacio de búsqueda acotado. El algoritmo ha sido adaptado a las particularidades de las aplicaciones antes citadas para aumentar su robustez y reducir el tiempo de computación. Con objeto de comprobar la bondad y aplicabilidad de las técnicas propuestas se ha diseñado, construido y ensayado dinámicamente un pórtico metálico a escala media. Además, se utilizaron datos experimentales procedentes de otros modelos dinámicos. En concreto, un puente irregular a pequeña escala ensayado sobre mesa vibrante sometido a movimiento sísmico en la base y una réplica de una unión viga-pilar-viga del pórtico ensayada dinámica y estáticamente. La aplicación de la técnica de detección incipiente al pórtico resultó exitosa, siendo capaz de detectar masas añadidas del orden de 0.04% de la masa total del pórtico y el aflojamiento de uno de los 152 tornillos presentes en el pórtico. La segunda técnica también resultó exitosa en la identificación y readaptación de modelos, siendo muy apropiada para la identificación de modelos no lineales y la readaptación de modelos cuando no hay una calibración previa de parámetros y es necesario un amplio espacio de búsqueda. Para la localización y cuantificación del daño en el pórtico se realizó previamente una identificación modal no lineal de las respuestas libres del pórtico. A partir de ésta se obtuvieron las variables modales del modelo lineal subyacente. Finalmente, se aplicó la técnica de identificación a un modelo de semiportal para la localización y cuantificación de daño en base a las Es bien conocido que el daño altera ciertas propiedades físicas de las estructuras, como la rigidez y el amortiguamiento, influyendo éstas en su respuesta dinámica. Así, el estado de una estructura se puede inferir a partir del análisis de sus vibraciones. El conjunto de las técnicas de identificación de daño basadas en vibraciones se conoce en la literatura como ``Monitorizado Estructural'' y constituyen un complemento y a veces alternativa a la inspección visual y otras técnicas tradicionales de mantenimiento estructural. Los beneficios del monitorizado estructural son el aumento de la fiabilidad, la prolongación de la vida útil y la reducción de costes de mantenimiento de estructuras y sistemas mecánicos. Aunque en las últimas décadas se han realizado numerosas investigaciones en este campo aún existen líneas abiertas, sobre todo en la búsqueda de técnicas que sean aplicables en estructuras reales. En esta tesis se desarrollan dos técnicas novedosas en el campo del monitorizado estructural. La primera es una técnica de detección de daño incipiente en estructuras de tipo voladizo. Para la detección se desarrolló una nueva variable característica llamada ``longitud de la señal''. Esta característica se extrae ``off-line'' de la vibración libre correspondiente al primer modo de la estructura medida en un solo punto. La detección se basa en el control estadístico de esta variable según teoría de extremos y análisis de rachas. La segunda es una técnica multipropósito que se aplica a la identificación directa de modelos analíticos, a la readaptación de modelos de elementos finitos y a la localización y cuantificación de daño. Ésta se enfoca como la minimización de una función de error definida en el dominio del tiempo que mide la diferencia entre la señal medida y la pronosticada por el modelo. La minimización se lleva a cabo mediante un novedoso algoritmo estocástico adaptativo que opera en un espacio de búsqueda acotado. El algoritmo ha sido adaptado a las particularidades de las aplicaciones antes citadas para aumentar su robustez y reducir el tiempo de computación. Con objeto de comprobar la bondad y aplicabilidad de las técnicas propuestas se ha diseñado, construido y ensayado dinámicamente un pórtico metálico a escala media. Además, se utilizaron datos experimentales procedentes de otros modelos dinámicos. En concreto, un puente irregular a pequeña escala ensayado sobre mesa vibrante sometido a movimiento sísmico en la base y una réplica de una unión viga-pilar-viga del pórtico ensayada dinámica y estáticamente. La aplicación de la técnica de detección incipiente al pórtico resultó exitosa, siendo capaz de detectar masas añadidas del orden de 0.04% de la masa total del pórtico y el aflojamiento de uno de los 152 tornillos presentes en el pórtico. La segunda técnica también resultó exitosa en la identificación y readaptación de modelos, siendo muy apropiada para la identificación de modelos no lineales y la readaptación de modelos cuando no hay una calibración previa de parámetros y es necesario un amplio espacio de búsqueda. Para la localización y cuantificación del daño en el pórtico se realizó previamente una identificación modal no lineal de las respuestas libres del pórtico. A partir de ésta se obtuvieron las variables modales del modelo lineal subyacente. Finalmente, se aplicó la técnica de identificación a un modelo de semiportal para la localización y cuantificación de daño en base a las variables de los dos primeros modos de vibración del pórtico. Aunque el algoritmo de minimización fue efectivo en estas dos fases, las predicciones de daño por planta basadas en los dos modos identificados no fueron certeras en los casos de daño en dos plantas, sin embargo, para los casos de una sola planta las predicciones fueron bastante acertadas.