Determinación de la respuesta sísmica de una edificación aislada mediante el monitoreo de la salud estructural

Abstract

El monitoreo de la salud estructural basado en la medición de las vibraciones es un proceso que implementa la instrumentación de sensores y metodologías que proporcionan información respecto a la condición de una estructura, lo cual permite la evaluación de la seguridad e integridad del sistema estructural. Debido a esto, en las últimas décadas, una gran cantidad de algoritmos han sido desarrollados; entre ellos, la transformada de Wavelets es considerada como una metodología eficiente para el filtrado de las aceleraciones registradas por los sensores. Sin embargo, debido a la naturaleza compleja de los sismos y a la particularidad de los sistemas estructurales, los parámetros utilizados por la transformada de Wavelets para el filtrado de la respuesta sísmica son frecuentemente variables. Esta investigación propone un método para obtener la respuesta sísmica de una edificación aislada sujeta a movimientos fuertes del terreno a través de simulaciones numéricas de un modelo matemático de la estructura, usando registros sintéticos basados en eventos sísmicos ocurridos en Perú. Primeramente, se generaron registros sintéticos a partir de evento sísmicos catalogados como históricos mediante el escalamiento de sus contenidos de frecuencias al espectro de peligro uniforme de la ciudad de Lima para un periodo de retorno de 2475 años (2% de probabilidad de excedencia en 50 años). Luego, se hicieron simulaciones en el dominio del tiempo al modelo matemático con los registros sintéticos, y se contaminaron intencionalmente las respuestas sísmicas con ondas estocásticas estacionarias (ruido blanco) para asemejarse a lo que sería registrado por un acelerómetro en una estructura real. Posteriormente, se procedió a la aplicación de la transformada de Wavelets para el filtrado de las respuestas contaminadas escogiendo aquellos parámetros que den una mejor aproximación con la respuesta teórica del modelo antes de la contaminación. De esta manera, se encontró que los parámetros intrínsecos óptimos de la estructura son aquellos correspondientes aproximadamente a una banda de frecuencias de 0.20 a 6.25 Hz. Además, con las respuestas obtenidas del modelo se pudo determinar que la respuesta sísmica de la estructura permanecerá elástica para movimientos fuertes del terreno de hasta 0.8 g. Dado estos resultados, se concluye que el método puede ser aplicado en el monitoreo de la salud estructural de forma confiable a sistemas estructurales aislados.

Structural health monitoring based on vibration measurements is a process that implements the instrumentations of sensors and methodologies to provide information regarding the condition of a structure, which allows the evaluation of the safety and integrity of structural systems. Because of this, in the last decades, several algorithms have been developed; among them, the Wavelets transform is considered an efficient method for filtering the accelerations recorded by the sensors. However, due to the complex nature of earthquakes and the particularity of the structural systems, the parameters used by Wavelets transform for filtering the seismic response are frequently variables. This research proposes a method to obtain the seismic response of a base-isolated building subjected to ground strong motions through numerical simulations of a mathematical model of the structure, using synthetic records based on seismic events that occurred in Peru. Firstly, synthetic records were generated from seismic events classified as historical by scaling their frequency content to the uniform hazard spectrum of Lima city for a return period of 2475 years (2% probability of exceedance in 50 years). Then, time domain simulations were made for the mathematical model with synthetic records, and the seismic responses were contaminated with stationary stochastic waves (white noise) to resemble what would be recorded by an accelerometer on a real structure. Subsequently, the Wavelets transform was applied to filter the contaminated responses, choosing those parameters that give a better approximation of the theoretical response of the model before contamination. In this way, it was found that the optimal intrinsic parameters of the structure are those corresponding to a frequency band from 0.20 to 6.25 Hz. In addition, with the responses obtained from the model, it was possible to determine that the seismic response of the structure will remain elastic for ground strong motions up to 0.8 g. Given these results, it can be concluded that the method can be reliably applied in structural health monitoring to isolated structural systems.