Sensores de bajo coste para el diagnóstico estructural de edificios históricos con muros de fábrica convencional

• Autores: Álvaro Rubén Serrano Chacón
• Directores de la Tesis: Antonio Jaramillo-Morilla (dir. tes.), Emilio José Mascort Albea (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2023
• Idioma: español
• Número de páginas: 452
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen
  • español

    En la mayoría de las ciudades todavía quedan en pie edificaciones cuya construcción se remonta a varios siglos atrás. Estas edificaciones están constituidas por fábrica de piedra, ladrillo o tapia y, por lo general, no se siguió ningún código estructural para el diseño. Diversos eventos, ya sean de origen natural o ligados a la acción del hombre, pueden originar lesiones en las mismas. El conocimiento del estado de daño es clave para el diseño de una intervención adecuada. Una de las vías más empleadas para el diagnóstico estructural se basa en la ejecución periódica (o continua) de ensayos de vibración ambiental y el análisis modal operacional (OMA), identificando así variaciones en las propiedades dinámicas de la estructura. Este procedimiento supone un elevado desembolso económico, tanto por la necesidad de acelerógrafos de alta precisión como por la compra de licencias de software comercial para aplicar los métodos de OMA. En este contexto, esta tesis doctoral presenta una alternativa para reducir el coste de la caracterización dinámica de edificaciones históricas de fábrica. Por un lado, se trabaja en los equipos de medida, desarrollándose hasta cuatro prototipos de acelerógrafos distintos. La economía se consigue con el uso de acelerómetros MEMS, los cuales se acoplan por cable a una Raspberry Pi 3 (Modelo B). Por otro lado, se trata la parte del procesado de las series temporales, lo cual conduce a la implementación de un método de OMA en el dominio de la frecuencia (FDD) en un lenguaje de programación de código abierto como es Python. Adicionalmente, esta tesis doctoral propone un protocolo para obtener un diagnóstico estructural periódico de la tipología constructiva objeto de esta investigación, el cual se ha designado con las siglas ITEHBA. La verificación del adecuado funcionamiento de los prototipos de acelerógrafos se ha realizado a través de cinco campañas experimentales: la primera en uno de los lienzos de la Muralla de la Macarena de Sevilla y las restantes sobre el edificio de la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Sevilla. En todas las campañas también se tomaron datos con una unidad GMS Plus6-73 para tener una referencia. La misma metodología se usó en la validación de un prototipo de acelerógrafo diseñado por el Departamento de Ingeniería Electrónica (DIE) de la Universidad de Sevilla. Precisamente, este último prototipo fue el usado para la caracterización dinámica de dos torres defensivas medievales: la Torre Blanca de la Muralla de la Macarena de Sevilla y la Torre del Homenaje del Castillo de Utrera. Esta investigación revela que la detección de las frecuencias naturales de edificaciones es posible con un presupuesto reducido (los prototipos tienen un coste inferior a 210 €). En la etapa de validación, el máximo error relativo en la identificación de este parámetro modal con los prototipos diseñados en esta tesis doctoral fue inferior al 5.5 %. En lo relativo a las edificaciones históricas de fábrica, el prototipo del DIE permitió identificar las frecuencias naturales con un excelente grado de aproximación (máximo error relativo del 3.43 % en la Torre Blanca e inferior al 1 % en la Torre del Homenaje). Por su parte, el método FDD desarrollado Python proporcionó resultados prácticamente idénticos al software comercial. Finalmente, la aplicación del protocolo ITEHBA a los dos casos de estudio demostró la utilidad del protocolo para un rápido diagnóstico estructural de edificaciones históricas con muros de carga de fábrica convencional.

  • English

    In most cities, buildings dating back several centuries are still standing. These buildings are made of stone, brick or rammed earth masonry and, in general, no structural code was followed for the design. Various events, whether natural or man-made, can cause damage to these buildings. The knowledge of the damage state is key for the design of an appropriate intervention. One of the most employed means for structural diagnosis is based on the periodic (or continuous) execution of environmental vibration tests and operational modal analysis (OMA), thus identifying variations in the dynamic properties of the structure. This procedure involves a high economic outlay, both for the need of high precision accelerographs and for the purchase of commercial software licences to apply the OMA methods. In this context, this PhD thesis presents an alternative to reduce the cost of the dynamic characterisation of historic masonry buildings. On the one hand, work is carried out on the measuring equipments, developing up to four different accelerograph prototypes. The economy is achieved with the use of MEMS accelerometers, which are connected by cable to a Raspberry Pi 3 (Model B). On the other hand, the time series processing part is addressed, which leads to the implementation of an OMA method in the frequency domain (FDD) in an open source programming language such as Python. Additionally, this PhD thesis proposes a protocol to obtain a periodic structural diagnosis of the building typology object of this research, which has been designated with the acronym ITEHBA. The verification of the proper functioning of the accelerograph prototypes has been carried out through five experimental campaigns: the first one on one of the walls of the Macarena Wall in Seville and the remaining ones on the building of the Higher Technical School of Architecture of Seville. In all the campaigns, data were also collected with a GMS Plus6-73 unit for reference purposes. The same methodology was used in the validation of a prototype accelerograph designed by the Department of Electronic Engineering (DEI) of the University of Seville. Precisely, the latter prototype was used for the dynamic characterisation of two medieval defensive towers: the White Tower of the Macarena Wall in Seville and the Homage Tower of the Utrera’s Castle. This research reveals that the detection of the natural frequencies of buildings is possible with a reduced budget (the prototypes cost less than 210 €). In the validation stage, the maximum relative error in the identification of this modal parameter with the prototypes designed in this PhD thesis was less than 5.5 %. With regard to the historic masonry buildings, the DEI prototype made it possible to identify the natural frequencies with an excellent degree of approximation (maximum relative error of 3.43 % in the White Tower and less than 1 % in the Homage Tower). For its part, the FDD method developed in Python provided results practically identical to those of the commercial software. Finally, the application of the ITEHBA protocol to the two case studies demonstrated the usefulness of the protocol for a fast structural diagnosis of historic buildings with conventional masonry loadbearing walls.