Control de estructuras mediante técnicas geomáticas, aplicación a la pasarela de Miramar (Ceuta)

Abstract

Las estructuras son uno de los elementos más desarrollados por la sociedad, siendo la ingeniería civil, minera, energética, etc. una de las áreas de conocimiento más extensas y antiguas que se conocen. Su finalidad no es otra suplir una necesidad que la sociedad demanda, siempre de manera funcional, económica y sobre todo segura. El control estructural es fundamental para poder garantizar la seguridad de una estructura ya que, si sufre algún tipo de modificación o daño en sus componentes y materiales, puede suponer riesgos para la seguridad de los usuarios. Por tanto, el control de la estructura a lo largo de su vida útil es vital para evitar estos posibles riesgos. Existen distintos métodos para analizar una estructura, siendo el análisis modal operacional en el que se centra esta investigación. Es un proceso por el cual es posible determinar el estado de una estructura a partir de sus parámetros modales (las formas modales, frecuencias naturales y el amortiguamiento) los cuales describen propiedades dinámicas inherentes de las estructuras. A través de la vibrometría, cuyo fundamento se basa en obtener los parámetros modales a partir de las vibraciones que sufre la estructura, el análisis modal operacional (OMA) emplea aquellos procesos de hacen que la estructura vibre de manera natural. Son por ejemplo el viento, el tránsito de viandantes, etc. [1] El análisis estructural se viene haciendo de manera habitual con una metodología muy consolidada mediante el uso de acelerómetros, un tipo de transductor eléctrico con capacidad producir una señal eléctrica proporcional a la aceleración a la que la estructura se ve sometida. No obstante, el principal objetivo es conseguir llevar a cabo este control estructural por medio de técnicas geomáticas, es decir, mediante el uso de equipos GPS y su posterior contraste con la metodología clásica. Para dicho contraste es necesario que los resultados de ambas metodologías se encuentren en el dominio de la frecuencia. La transformación del dominio del tiempo al de la frecuencia es posible a través de una herramienta matemática conocida como la Transformada de Fourier. Su elevada complejidad hace que se haya utilizado en este caso una herramienta programada en Microsoft Excel, mediante la que se obtiene la transformada rápida de Fourier. [2] Todo lo anterior se ha implementado sobre una estructura concreta, la pasarela de Miramar (Ceuta), ya que cuenta con todo el instrumental necesario para realizar el contraste. La verdadera aportación de este TFG es la creación de una metodología que permite determinar los mejores instantes para la elección de datos GPS con los que realizar el análisis y su posterior contraste con los acelerómetros. A partir de esta metodología se han diseñado una serie de ensayos, todos ellos definidos mediante unas condiciones de dirección y velocidad del viento, la presencia o no de peatones sobre la pasarela, el tamaño de la muestra de datos seleccionada o la precisión de estos datos. De manera teórica se han definido un total de 20 ensayos. No obstante, las condiciones iniciales de cada ensayo han ido variando a medida que se tenían las condiciones reales de los datos registrados mediante GPS, llegándose a realizar un total de 15 ensayos. Una vez definidos los ensayos reales, a través de la transformada rápida de Fourier en Excel, se logra obtener una gráfica frecuencia-amplitud de los resultados GPS, para su contraste con los resultados de los acelerómetros en el mismo periodo de tiempo.

Structures are one of the most developed elements in society, being civil, mining, energy engineering, etc. one of the oldest and most extensive areas of knowledge. Its purpose is to supply a need that society demands, always in a functional, economic and above all safe manner. Structural control is essential to guarantee the safety of a structure since, if it suffers any type of modification or damage to its components and materials, it can pose risks to the safety of users. Therefore, the control of the structure throughout its useful life is vital to avoid these possible risks. There are different methods to analyze a structure, being the operational modal analysis that this research focuses on. It is a process by which it is possible to determine the state of a structure from its modal parameters (modal shapes, natural frequencies, and damping) which describe inherent dynamic properties of the structures. Through vibrometry, whose foundation is based on obtaining the modal parameters from the vibrations that the structure undergoes, the operational modal analysis (OMA) uses those processes that make the structure vibrate naturally. They are, for example, the wind, the traffic of pedestrians, etc. [1] Structural analysis has been done routinely with a well-established methodology using accelerometers, a type of electrical transducer with the capacity to produce an electrical signal proportional to the acceleration to which the structure is subjected. However, the main objective is to be able to carry out this structural control by means of geomatic techniques, that is, by using GPS equipment and its subsequent contrast with classical methodology. For this contrast, it is necessary that the results of both methodologies are in the frequency domain. The transformation from the time domain to the frequency domain is possible through a mathematical tool known as the Fourier transform. Its high complexity means that a tool programmed in Microsoft Excel has been used in this case, through which the fast Fourier transform is obtained. [2] All of the above has been implemented on a specific structure, the pedestrian walkway of Miramar (Ceuta), since it has all the necessary instruments to carry out the contrast. The true contribution of this investigation is the creation of a methodology that allows determining the best moments for choosing GPS data with which to carry out the analysis and its subsequent contrast with the accelerometers. Based on this methodology, a series of tests have been designed, all of them defined by conditions of direction and wind speed, the presence or not of pedestrians on the walkway, the size of the selected data sample or the precision of these data. . Theoretically, a total of 20 trials have been defined. However, the initial conditions of each test have varied as the real conditions of the data recorded by GPS were obtained, reaching a total of 15 tests. Once the real tests have been defined, through the fast Fourier transform in Excel, it is possible to obtain a frequency-amplitude graph of the GPS results, to contrast them with the results of the accelerometers in the same period of time.