Análisis del comportamiento dinámico de una estructura ligera sometida a la acción de un peatón

Urruticoechea Olloquiegui, Pablo (2018). Análisis del comportamiento dinámico de una estructura ligera sometida a la acción de un peatón. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Description

Title: Análisis del comportamiento dinámico de una estructura ligera sometida a la acción de un peatón
Author/s:
  • Urruticoechea Olloquiegui, Pablo
Contributor/s:
  • Fraile de Lerma, Alberto
  • Fernández Martínez, Javier
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: February 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Mecánica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El estudio de la dinámica de estructuras es un área de investigación que, desde las últimas décadas, se ha vuelto imprescindible para garantizar la seguridad y buen comportamiento de toda construcción actual. Este Trabajo de Fin de Grado se encuentra enmarcado dentro de las labores de investigación del CEMIM (Centro de Modelado de Ingeniería Mecánica), asociado tanto al departamento de Mecánica-Estructuras de la ETSI Industriales como a otras escuelas de la UPM. Concretamente, este estudio se ha derivado a partir del vigente Proyecto de Investigación PROVIBEST (BIA 2014-59321-C2-1-R): “Prognosis y análisis integrado de las vibraciones inducidas por el hombre en estructuras”. Entre las acciones humanas más comunes que se producen sobre estructuras se encuentran el salto, los paseos, las oscilaciones corporales de grandes masas o incluso actividades como el baile. Para analizar el efecto de estos movimientos, no solo debe caracterizarse la estructura matemáticamente (modelización numérica), sino que también hay que modelar la acción que actúa sobre ella con variación en el tiempo y la manera en que ambos modelos interactúan. Habiendo introducido el problema a tratar, el objetivo primordial de este trabajo de investigación, además de los objetivos formativos necesarios para su realización, se puede resumir en tres puntos: o Identificar las características dinámicas actuales de la estructura a utilizar: una losa mixta construida de hormigón y chapa de acero colaborante. o Lograr caracterizar la acción humana del paseo sobre una estructura ligera. o Comprobar la validez de las plantillas instrumentadas como instrumento de medida de la acción humana sobre estructuras. El paseo, al ser la forma de desplazamiento del ser humano, es la carga más común inducida a las estructuras. No obstante, como declaran investigadores de la materia, el modelo de carga de paseo es altamente influenciado por el lugar en que se desarrolla la acción, las condiciones físicas del sujeto que se analiza y otras condiciones del entorno. Ante esta dificultad, se plantea la posibilidad de emplear las plantillas instrumentadas como herramienta para medir la acción y poder ajustar de manera más precisa dichos modelos existentes, o bien crear otros modelos nuevos. Así, la tarea principal en torno a la cual se ha desarrollado la investigación ha sido la medición del paseo sobre el forjado por medio del equipo de las plantillas. Para probar su funcionamiento, la idea esencial radica en la comparación de dos respuestas dinámicas: por un lado, la respuesta directa de la estructura frente a tal excitación del paseo de una persona, medida a través de acelerómetros colocados sobre la losa; y, por otro lado, la respuesta de un modelo numérico de la estructura ante la introducción de la fuerza detectada por las plantillas durante dicho paseo. El modelo numérico del forjado es ajustado con ensayos modales realizados mediante el impacto de un martillo instrumentado. Las fases que se han llevado cabo para su consecución de las tareas mencionadas han sido las siguientes: a) Puesta a punto de los equipos de medida. Previo al comienzo de la sesión de ensayos, investigadores participantes en el proyecto han dedicado el tiempo suficiente a la preparación tanto de la losa como de aparatos de adquisición de datos y la conexión entre ambos: acelerómetros, cableados, módulos de adquisición de datos, martillo instrumentado, las plantillas instrumentadas, acondicionadores de señal y PC-s. b) Ensayo con martillo. Se realiza un ensayo de impacto dejando caer 5 veces un martillo instrumentado sobre el punto medio del forjado. El martillo está equipado con un transductor de fuerza de forma que, a la vez que se mide la respuesta de la estructura por medio de 9 acelerómetros colocados simétricamente sobre la losa, se registra la fuerza del martillo. Dado que se desconoce el efecto de la masa de un peatón sobre el comportamiento dinámico de la losa, se decide realizar dos ensayos modales distintos: uno con el peatón subido sobre la losa y otro sin él. De esta manera se trata de analizar su influencia en las propiedades dinámicas de la estructura. c) Medición de la acción. Se trata de la realización de paseos a lo largo del forjado con unas plantillas Pedar-x instrumentadas con sensores de fuerza colocadas en los pies. Así, se dispone de un registro temporal de la fuerza ejercida por el movimiento del sujeto sobre la losa, con la cual poder trabajar posteriormente. d) Medición de la respuesta en la estructura. Simultáneamente a la medición de la acción se registran las vibraciones sufridas por la losa durante el tiempo del paseo. Para ello se utilizan los mismos 9 acelerómetros ya mencionados. e) Caracterización numérica. Para llevar a cabo la comparación de respuestas mencionada, se elabora un modelo dinámico del forjado en el cual introducir la acción medida por las plantillas. Dicho modelo es ajustado por medio del análisis modal, comparando las FRF-s numéricas con las experimentales (con el impacto del martillo como excitación). f) Introducción de la acción sobre la estructura. Habiendo medido la acción del paseo y disponiendo de un modelo dinámico estructural ajustado, el siguiente paso consiste en introducir la acción medida por las plantillas en dicho modelo. g) Contraste de respuestas de la estructura. Finalmente, la comparación de las gráficas obtenidas por ambos caminos determinará el grado de validez tanto de la medición de las plantillas como del modelo calculado y la forma de introducir la carga del paseo. En cuanto a la estructura sobre la que se ha trabajado, se trata de un forjado mixto de chapa colaborante formado por acero y hormigón. Posee forma rectangular, con unas dimensiones de 5.5 m de largo, 1.838m de ancho y una sección nervada de 9 valles que tiene una altura máxima de 0.140 m. Su peso estimado total es de 486.4 kg/m, al cual deben sumarse adecuadamente las masas añadidas también presentes durante los ensayos: 2 excitadores electrodinámicos objeto de otro proyecto en paralelo; una placa de carga; y mi persona, presente en uno de los ensayos modales. En aras de simplificar las condiciones de contorno de esta estructura, se han tomado las siguientes consideraciones, que deberán verificarse con los resultados: - Apoyos ideales: Los apoyos están formados por sendos bloques de hormigón colocados en los extremos, sobre los que se ha colocado un rodillo de acero que disminuye el área de contacto apoyo-forjado, supuesto apoyo puntual, y que permite el giro. - Modelo de viga: Se ha supuesto un modelo de viga biapoyada a pesar del ancho de la losa, con la intención de simplificar la investigación. - Acción centrada: Tanto los ensayos modales como los ensayos de paseo son realizados en el punto medio del ancho de la losa, de modo que solo se puedan considerar de interés solo los modos de flexión de la losa, y no los de torsión. La disposición de los acelerómetros sobre la cara superior de la losa ha sido la siguiente. Tras representar las funciones de PSD, FRF y Coherencia de los datos experimentales del ensayo modal con martillo se ha llegado a las siguientes conclusiones: - Existe un primer modo de flexión en 5.4 Hz y un segundo modo de flexión en 24.0 Hz, detectados como picos de las funciones PSD y FRF. - Existe torsión en la losa, pero únicamente fuera de la línea media del forjado. Es decir, los acelerómetros 2,9 y 7 no se ven afectados por la torsión, pero sí por la flexión de los dos primeros modos. Por tanto, se confirma la hipótesis de modelo de viga (considerando su única dimensión como la línea media de la losa) y serán dichos acelerómetros los empleados para el estudio. - Las diferencias apreciadas entre las FRF obtenidas para el ensayo sin masa de peatón y con ella son relativamente bajas. A partir de este momento, se admite como hipótesis de simplificación que la influencia de la masa del peatón es pequeña, despreciándola en el estudio y se emplea dicha serie de FRF-s para el ajuste del modelo numérico.

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Item ID: 50344
DC Identifier: http://oa.upm.es/50344/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:50344
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 20 Apr 2018 16:44
Last Modified: 20 Apr 2018 16:44
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