Aplicación de técnicas de monitoreo estructural para la evaluación de propiedades dinámicas y daño en un modelo estructural

Abstract

En la evaluación de estructuras existentes es usual determinar los parámetros dinámicos mediante modelos matemáticos (Etabs, Sap2000); en muchos casos, esta evaluación es suficiente si se cuenta con información necesaria y de buena calidad. Sin embargo, en otros casos, el comportamiento real de la estructura difiere considerablemente del modelo, como consecuencia de numerosas simplificaciones o de daños no visibles que afectan las propiedades dinámicas. Dentro de las simplificaciones encontramos, entre otras, que no se considera la interacción de la estructura con los elementos no estructurales, la rotación relativa en los nudos o el factor de zona rígida, el giro de la cimentación, que se considera que las conexiones entre elementos y la conexión a la cimentación son completamente rígidas, además de deficiencias constructivas difíciles de cuantificar y de estimar su impacto en el comportamiento dinámico de la estructura. Por otro lado, si se requiere hacer una estimación del daño es usual utilizar metodologías cualitativas que se basan en la inspección visual dependiendo en gran medida del criterio del evaluador, obteniendo resultados algunas veces subjetivos. Estas razones hacen necesario el desarrollo de metodologías para determinar experimentalmente y de manera no invasiva las propiedades dinámicas de una edificación, de tal manera que puedan utilizarse para la calibración de modelos de elementos finitos, o como medida directa para estimar el daño o el estado general de una estructura. Hace ya varias décadas surgió una metodología basada en técnicas de procesamiento de señales para estimar propiedades dinámicas a partir de la medición de diferentes parámetros de respuesta. A eso se le conoce como monitoreo estructural o monitoreo de salud estructural. Con el tiempo, esta metodología se ha implementado tanto para la estimación puntual de propiedades dinámicas, como para el monitoreo en tiempo real de esas mismas propiedades, de tal manera que se puede estimar cómo varia el comportamiento en el tiempo debido al deterioro normal o a eventos como sobrecargas o terremotos; así, comparando valores antes y después del evento se puede estimar el daño, en caso de que exista esta información, o se puede utilizar información de modelos de elementos finitos como línea base. Así mismo, en ocasiones se requiere una estimación de daño más rápida, como en las evaluaciones post – sismo, en las que a partir de la inspección de elementos estructurales se deben establecer daños locales y un daño global con el fin de tomar decisiones sobre la necesidad de evaluación adicional, o sobre la habitabilidad de la edificación. Con el fin de contribuir con herramientas que permitan la evaluación del daño estructural, este trabajo propone evaluar algunas de las metodologías comunes de monitoreo estructural y de estimación de daño basada en los cambios en las propiedades evaluadas a partir del monitoreo sobre un modelo a escala reducida.

In the evaluation of existing structures it is usual to determine the dynamic parameters through mathematical models (Etabs, Sap2000); In many cases, this evaluation is sufficient if the necessary and good quality information is available. However, in In other cases, the actual behavior of the structure differs considerably from that model, as a consequence of numerous simplifications or of invisible damage that affect the dynamic properties. Among the simplifications we find, among others, that the interaction of the structure with non-material elements is not considered. structures, the relative rotation at the nodes or the rigid zone factor, the rotation of the foundation, which is considered that the connections between elements and the connection to the foundation are completely rigid, in addition to difficult construction deficiencies to quantify and estimate its impact on the dynamic behavior of the structure. On the other hand, if an estimate of the damage is required, it is usual to use methodologies qualitative tests that are based on visual inspection depending largely on the criteria of the evaluator, sometimes obtaining subjective results. These reasons make it necessary to develop methodologies to determine experimentally and non-invasively the dynamic properties of a building, in such a way that they can be used for the calibration of models of finite elements, or as a direct measure to estimate the damage or the general condition of a structure. Several decades ago, a methodology based on processing techniques emerged. of signals to estimate dynamic properties from the measurement of different response parameters. This is known as structural monitoring or structural monitoring. structural health. Over time, this methodology has been implemented both for the point estimation of dynamic properties, as well as for the real-time monitoring of those same properties, in such a way that it is possible to estimate how the behavior over time due to normal deterioration or events such as overloads or earthquakes; thus, comparing values before and after the event, it is possible to estimate the damage, if this information exists, or model information can be used of finite elements as a baseline. Likewise, sometimes a faster damage estimate is required, as in post-earthquake evaluations, in which from the inspection of elements structural damage must be established local and global damage in order to take decisions about the need for further evaluation, or about the habitability of the edification. In order to contribute with tools that allow the evaluation of structural damage, This paper proposes to evaluate some of the common monitoring methodologies structural and damage estimation based on changes in the evaluated properties from monitoring on a reduced-scale model.