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El interés en dar seguimiento al estado físico de una estructura y detectar daño en un estado temprano de éste, es un tema que ha tomado un auge muy importante debido a que, si no es detectado y corregido, se pone en peligro la seguridad de la estructura. Algunos métodos de detección de daño son visuales y experimentales, tales como, métodos acústicos, métodos que se apoyan en campos magnéticos, radiográficos y térmicos (Kobayashi, 1987). Todos estos métodos experimentales requieren que la parte de la estructura en que se encuentra el daño sea accesible.

Debido a esta limitación, estos métodos experimentales pueden detectar daño en parte visible de la estructura; la necesidad de desarrollar métodos de detección de daño que puedan ser aplicados a estructuras complejas ha conducido al desarrollo de métodos que reconocen cambios en las propiedades dinámicas de las estructuras.

 

Basándose en la cantidad de información de que se disponga de las propiedades de las estructuras, estos métodos pueden clasificarse en cuatro tipos, éstos son (Rytter, 1993):

(1) identificar que el daño ha ocurrido;

(2) identificar que el daño ha ocurrido y determinar su localización;

(3) identificar que el daño ha ocurrido, determinar su localización y estimar la magnitud del mismo

(4) identificar que el daño ha ocurrido, determinar su localización, estimar su severidad y determinar el tiempo de vida útil de la estructura.

 

La principal premisa de los métodos de detección de daño que utilizan los cambios en las propiedades dinámicas de la estructura, es que los parámetros modales (frecuencias fundamentales, modos de vibrar y amortiguamiento modal), son función de las propiedades físicas de la estructura (rigidez, masa y amortiguamiento). Por lo tanto, cambios en las propiedades físicas de la estructura, tales como la rigidez, provocarán cambios en las propiedades modales.

 

Un detallado compendio de métodos de detección de daño basados en estudios de vibración pueden encontrarse en Doebling et al (1996) donde las limitaciones y beneficios generales de éstos métodos son discutidos. Shirole y Holten (1991) presentan un estudio sobre fallas en puentes en EUA a partir de 1950. Actualmente, a los puentes se les hace un seguimiento de su estado físico mediante inspecciones bienales, la mayor parte de las cuales se emplean técnicas que implican inspecciones visuales, como las que se discuten en White et al (1992). Existe la posibilidad de que el daño pase inadvertido en la inspección o que surjan grietas en los elementos que los lleven a niveles críticos, por ejemplo, pueden ocurrir entre los intervalos de inspección, Biswas et al 1990.

 

Basándose en lo anteriormente descrito, un procedimiento de detección de daño, cuantitativo y posiblemente continuo, sería apropiado para prevenir o, al menos, mitigar los efectos de futuro daño en la estructura. Estos eventos y la necesidad de sistemas que permitan dar un seguimiento al estado físico de las estructuras más seguros han motivado la investigación de la aplicación de métodos de detección de daño.

 

Estudios de métodos detección de daño se han aplicado a puentes (Salane et al 1981, Kato y Shimada 1986, Turner y Pretlove 1988, Spyrakos et al 1990, Mazurek y De Wolf 1990, Jian 1991, Tang y Leu 1991, Farrar et al 1994, Alampalli et al 1995) primeramente examinando cambios en las propiedades modales, tales como frecuencias, modos de vibrar y amortiguamientos; determinados previamente mediante pruebas de vibración ambiental. Estos estudios han demostrado que los valores de las frecuencias y los amortiguamientos no resultan muy sensibles a niveles de daño bajo; cambios en los modos de vibrar determinados experimentalmente resultan ser indicadores mas sensibles para detectar el daño. Estos estudios también identifican que los cambios en las propiedades dinámicas pueden deberse a la presencia de ruido en las mediciones durante las pruebas de vibración ambiental y pueden ser tan significantes como los producidos por el daño.

 

Una característica de los parámetros básicos empleados en la detección del daño estructural que a menudo se pasa por alto es la incertidumbre inherente en las mediciones causadas por variaciones aleatorias en la señal; estas incertidumbres describen el porcentaje de diferencia que se puede esperar de una medición a la otra como resultado del llamado ruido en la señal, pequeñas variaciones en las condiciones de la prueba, efectos del medio ambiente (tales como temperatura y viento). Estas incertidumbres en los indicadores de daño deben tenerse presentes para que se pueda determinar si un cambio en el indicador es suficientemente grande para detectar daño, o cuando es atribuido a variaciones naturales en las mediciones.

 

Una parte muy importante de cualquier análisis modal es la necesidad de un elaborar un modelo de elementos finitos y validarlo con los resultados obtenidos en una prueba de vibración ambiental. Una aproximación bastante usada para calibrar y validar modelos, involucra el ajustar sus parámetros físicos a fin de obtener una mejor correlación prueba/modelo. El cambio de parámetros del modelo usualmente es guiado por la sensibilidad de las frecuencias y/o modos de vibrar.

 

Desafortunadamente, el cálculo de esta sensibilidad es solo válido para cambios pequeños en los parámetros a comparar. Las frecuencias y los modos calculados, rápidamente divergen de los valores exactos, calculados del problema de valores característicos. Esto significa que en la práctica, los parámetros estructurales (como la rigidez o la masa) deben ser modificados iterativamente hasta obtener resultados congruentes. Después de un cambio pequeño, el modelo completo de elementos finitos debe ser re-analizado para determinar el efecto del ajuste de parámetros en las frecuencias y los modos.

 

En los últimos años, se han llevado a cabo estudios acerca del ajuste de modelos de elementos finitos con datos de pruebas de análisis modal (Deger et al, 1994). La necesidad del ajuste de los modelos radica en que siempre existen errores asociados con el proceso de construir un modelo teórico de una estructura. Esto conduce a una aproximación incierta en la predicción de la respuesta. Otra aplicación importante en el ajuste de modelos es la predicción de daño estructural (Natke y Yaho, 1988; Stubbs, Broome y Osegueda, 1990; Fahrat y Hemez, 1993; Papadimitriou et al, 1997; Vanik 1997; Katafygiotis y Lam, 1997). La localización y el tamaño del daño puede deducirse mediante el seguimiento que se le de a la reducción de las propiedades de rigidez y masa de los elementos que comprenden el modelo de elementos finitos de la estructura.

 

El problema de calibrar un modelo de elementos finitos que represente a una estructura real involucra la selección del que mejor se ajuste a los resultados obtenidos de una prueba de vibración ambiental (Berman, 1989; Beck, 1989; Mottershead y Friswell, 1993; Beck y Katafygiotis, 1997). Cualquier procedimiento de ajuste de un modelo de elementos finitos, basado en parámetros estructurales físicos, debe iniciar con una aproximación de las frecuencias y/o modos de vibrar. Esto, se resuelve mediante el problema de valores y vectores característicos, usualmente sólo los modos de las frecuencias más bajas son de interés. Las siguientes son algunas dificultades en este proceso: 1) los datos de la prueba de análisis modal están contaminados por ruido en las mediciones; 2) el tipo de modelo elegido no es representativo del comportamiento estructural para todos los posibles valores de los parámetros del modelo; 3) los datos de las pruebas son relativamente incompletos para poder obtener un modelo adecuado. Por ejemplo, el grupo de grados de libertad medidos en la estructura, es una pequeña parte del total de éstos, debido al número limitado de sensores empleados en las pruebas o a la poca accesibilidad de la estructura. También, el número de modos de vibrar que se pueden detectar en una prueba es mucho menor que el número de grados de libertad que tenga el modelo, debido a la presencia de ruido en la obtención de las pruebas de modos superiores, ancho de banda en la respuesta y limitaciones en el equipo empleado. El problema de detección de daño involucra, como primer paso, la localización del daño; una vez que éste ha sido localizado, su magnitud se predice mediante el ajuste del modelo de elementos finitos.

 

Debido a que, como se ha comentado anteriormente, en la aplicación de detección de daño en estructuras se encuentra implícito el proceso de calibrar un modelo analítico de la estructura real; en el presente trabajo se emplean los métodos de correlación modal tanto para ajustar el modelo de elementos finitos como para detectar daño en la misma; esto con el fin de que represente la respuesta de la estructura real.

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