Factores de escala y tensiones: su determinación en elementos estructurales mediante análisis modal operacional
- Autores: Pelayo Fernández Fernández
- Directores de la Tesis: Manuel Aenlle López (dir. tes.), Alfonso Carlos Fernández Canteli (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Oviedo ( España ) en 2010
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Gracia Villa (presid.), María Jesús Lamela Rey (secret.), Rune Brinker (voc.), Reto Cantieni (voc.), Lutz Hermanns (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
El análisis modal operacional (OMA) es una herramienta de análisis modal donde la identificación de las propiedades dinámicas de un sistema se obtiene a partir únicamente del análisis de la salida del mismo. Las cargas de operación o ambientales son las utilizadas como la fuente de excitación del sistema y son, generalmente, desconocidas.
Una desventaja del OMA es que al no conocer las fuerzas externas, que actúan sobre la estructura, los modos de vibración no se pueden normalizar a la masa y, por lo tanto, se debe de utilizar una normalización arbitraria. Los factores de escala son las constantes que relacionan la normalización a la masa y la normalización arbitraria de los modos de vibración. Un método en OMA para estimar los factores de escala es modificar el comportamiento dinámico de la estructura, ya sea modificando la masa, la rigidez o ambas y realizar un nuevo análisis modal de la estructura modificada. La relación entre los parámetros modales de la estructura original y los de la estructura modificada permiten la estimación de los factores de escala. El método de cambio de masa, es, en general, el más sencillo de llevar a cabo en la práctica y en los últimos años se han propuesto diferentes expresiones, basadas en este método, para estimar los factores de escala.
La precisión en la estimación de los factores de escala depende tanto de los errores cometidos en la identificación de los parámetros modales, así como de la estrategia utilizada (magnitud, número de masas y posición de las mismas) para modificar el comportamiento dinámico de la estructura. En este trabajo, se proponen una serie de reglas de sencilla aplicación que permiten definir, de manera ventajosa, la estrategia de cambio de masa a aplicar en el desarrollo del método de cambio de masa. El efecto de la estrategia de cambio de masa se estudia experimentalmente en diferentes estructuras a través de distintos ensayos modales donde la magnitud, la localización y el número de masas utilizadas en cada ensayo son diferentes.
En el método de cambio de masa, en general, se necesitan utilizar un número de masas elevado para obtener buenos resultados. En este trabajo, se propone un nuevo procedimiento para desarrollar el método de cambio de masa: el método de cambios de masa consecutivos. En este método se llevan a cabo varios ensayos modales donde se utiliza un número reducido de masas que se van desplazando a puntos diferentes de la estructura en cada uno de los ensayos. Los resultados de cada uno de los ensayos se combinan para estimar los factores de escala. Esta metodología se ha validado mediante ensayos modales en una losa de hormigón así como en una viga de acero en voladizo.
En esta tesis también se presenta la formulación exacta que permite estimar los factores de escala mediante el método de cambio de masa y rigidez. Los resultados obtenidos con esta formulación son exactos cuando el número de modos es igual al número de grados de libertad utilizados, sin embargo, presenta incertidumbres cuando se utiliza un espacio modal truncado. La formulación exacta permite conocer las distintas suposiciones tomadas en las ecuaciones simplificadas del método de cambio de masa. La precisión de las distintas expresiones del método de cambio de masa es analizada tanto mediante simulaciones numéricas como en ensayos experimentales llevados a cabo en distintas estructuras.
Una aplicación del OMA con un alto potencial es la estimación de tensiones. En el diseño a fatiga y la predicción de vida remanente en estructuras, las tensiones en cada punto de la misma es una de las fuentes de incertidumbre más importantes. Esto se debe, por una parte, a que la estimación de las matrices de rigidez, masa y amortiguamiento de la estructura es un proceso complejo y, por otro lado, a la utilización de modelos simplificados para representar las cargas reales que están actuando. En esta tesis se presenta una metodología, que mejora la fiabilidad del diseño a fatiga, que combina las propiedades modales de la estructura, estimadas mediante OMA, la respuesta de la estructura en varios puntos de la misma y un modelo numérico adaptado de la estructura.
La metodología de estimación presentada se aplica y se valida en una viga de acero en voladizo y en placas de vidrio y hormigón. La estimación de las tensiones puede ser aplicada en estructuras en servicio para la estimación de las tensiones en tiempo real.
