Análisis del estado límite de servicio y control de vibraciones en pasarelas peatonales

Resumen

Introducción El avance en los materiales y en las tecnologías de la construcción ha propiciado el desarrollado de estructuras civiles más ligeras y esbeltas, construidas con menos material, menos mano de obra y menos tiempo de ejecución. Todo esto favorece que pueda reducirse el coste de construcción y la emisión de gases contaminantes entre otros efectos deseables. En este sentido, en los últimos años se han construido numerosas pasarelas peatonales como respuesta a la demanda de nuevas vías de paso fundamentalmente dentro de las ciudades. Estas estructuras, con nuevos esquemas resistentes y con el empleo de nuevos materiales, suelen ser esbeltas, ligeras y poco amortiguadas, lo que en ocasiones ha generado problemas de vibración al paso de peatones una vez puestas en servicio. Es decir, a veces se pueden alcanzar niveles de vibración excesivos, sobrepasando los valores de confort recogidos en las normativas y guías de cálculo. El factor decisivo en el dimensionamiento de este tipo de estructuras suele ser el estado límite de servicio de vibraciones (ELSV), lo cual limita en gran medida el diseño y el desempeño de la estructura. Además, si una vez finalizada la construcción siguiera sin cumplirse el ELSV, se pueden tomar ciertas medidas correctoras, entre ellas aumentar la masa, modificar sus frecuencias naturales (con nuevos elementos rigidizadores) o aumentar su amortiguamiento, siendo esta última opción la más efectiva en la práctica. En esta tesis se han abordado fundamentalmente tres aspectos relacionados con el comportamiento dinámico de pasarelas peatonales: monitorización y análisis dinámico experimental, análisis del ELSV y la implementación de sistemas de control de vibraciones pasivos y activos. A lo largo de la tesis se han desarrollado estos tres aspectos en dos pasarelas en servicio situadas en Valladolid: la pasarela del Museo de la Ciencia, una estructura mixta, tipo viga en celosía atirantada y la pasarela Pedro Gómez Bosque, una estructura tipo banda tesa. Por lo tanto, se estudia el problema de vibraciones desde su análisis e identificación dentro de un contexto normativo hasta la proposición de soluciones a dicho problema. Contenido de la investigación En esta tesis se han investigado diferentes aspectos relacionados con la monitorización, el análisis y el control de vibraciones en pasarelas peatonales. Se trata de una tesis con contenido fundamentalmente experimental que en muchas de sus partes puede servir de guía para otros investigadores o ingenieros que se dispongan a analizar y resolver un problema de vibraciones en estas estructuras. Así, estos trabajos se han realizado sobre dos pasarelas singulares situadas en la ciudad de Valladolid y que se encuentran actualmente en servicio. A continuación se presentan las principales aportaciones asociadas a los diferentes campos del estudio dinámico de vibraciones: (i) En el apartado de la caracterización dinámica se ha realizado una revisión de las principales metodologías existentes en el análisis dinámico experimental y se han presentado los trabajos prácticos realizado en las dos estructuras. También se ha presentado un nuevo método para calcular la masa modal del sistema, un parámetro imprescindible para obtener estimaciones usando modelos y para el diseño de sistemas de control. En ambas estructuras se ha estudiado la influencia que tiene los agentes ambientales (temperatura y viento) y el grado de ocupación en las propiedades modales. Este es un aspecto clave en el estudio del ELSV y la posible implementación de un sistema de monitorización de fallos. No existen muchos trabajos publicados ejemplos en los que se estudien estos factores. (ii) Se ha diseñado, desarrollado e implementado un sistema de monitorización continua de vibraciones basado en acelerómetros de bajo coste en la pasarela de banda tesa. Este sistema emplea acelerómetros basados en la tecnología MEMS. Además, la instalación tuvo cierta dificultad ya que no se podía afectar en ninguna medida la estética de la estructura, lo cual obligó a instalar los acelerómetros dentro del tubo de la barandilla no pudiéndose conocer a priori la orientación de los acelerómetros. Dicho sistema fue puesto a punto, validado experimentalmente y empleado para el análisis del ELSV. No se ha encontrado ninguna aplicación de este tipo de acelerómetros a la medición de vibraciones estructurales de forma continua, por lo que la descripción detallada de todo el proceso ayudará a investigadores e ingenieros encargados de diseñar sistemas de monitorización de vibraciones con restricciones tanto en la estética de la estructura como en el presupuesto del sistema. (iii) En cuanto a los modelos de carga de peatones, en esta tesis se han estudiado en detalle tres de los documentos que proponen modelos de carga (explicando de forma práctica su uso). Además, se han realizado estimaciones de la respuesta de las pasarelas utilizando dichos modelos y se han comparado los resultados estimados con resultados experimentales obtenidos mediante la realización de numerosas pruebas. No existen apenas trabajos en la literatura dónde realmente se compruebe la bondad de estos modelos en una estructura ya en servicio. (iv) En el apartado del análisis del ELSV se ha realizado una revisión de las principales normativas y guías de diseño que abordan dicho análisis. En general, las normativas en vigor recomiendan rangos de frecuencia que deben ser evitados por las frecuencias naturales de las pasarelas y valores máximos de aceleración que aseguren el estado de servicio de la pasarela. En esta tesis no se ha entrado a valorar si son adecuados estos rangos de frecuencia y valores de aceleración ni se han propuesto nuevos valores, únicamente se han utilizado los valores presentes en las guías y normativas para realizar el análisis en las dos pasarelas en estudio. (v) En el apartado de los sistemas de control, se ha abordado el problema de la cancelación de vibraciones en una de las estructuras. Se han diseñado e implementado dos amortiguadores inerciales, uno pasivo y otro activo. El sistema pasivo basado en un amortiguador de masa sintonizado ha sido diseñado, construido e instalado. Se aportan detalles que incluyen desde el diseño teórico y la fabricación del mismo hasta la elaboración de los amortiguadores viscosos o a la elección de los muelles. Este tipo de sistemas pasivos funcionan relativamente bien cuando la respuesta de la estructura está dominada por un modo de vibración fundamental. Sin embargo, cuando aparece más de un modo de vibración en la respuesta dinámica de la estructura su comportamiento se degrada drásticamente y puede ser necesario utilizar otros sistemas más avanzados. Así, en esta tesis se ha explorado el uso de un amortiguador de masa activa. Para tal fin, se ha empleado un excitador electrodinámico utilizado en el análisis dinámico como actuador. Se ha cerrado un lazo de control automático y se han controlado las vibraciones de la estructura de forma activa. Hasta donde ha podido saber el autor, esta ha sido la única implementación práctica de un control activo con cierto grado de éxito en una pasarela en servicio. Conclusiones (i) En el apartado de la caracterización dinámica, se ha visto que utilizando los métodos alternativos para estimar la masa modal, incluido el nuevo método propuesto, se obtienen valores aceptables de este parámetro y se ha visto que las condiciones ambientales y de uso, temperatura y ocupación, tienen una influencia muy grande en la estimación de los parámetros modales. (ii)La utilización de sensores de bajo coste basados en tecnología MEMS en la monitorización de estructuras civiles es posible. (iii) Se ha comprobado que los modelos de carga de peatones tienden a sobreestimar los valores de aceleración y que hay que tener en cuenta la variación de los parámetros modales con las condiciones de uso para obtener buenas estimaciones. En general, los resultados simulados y los registros experimentales indican que las guías de cálculo tienden a sobrestimar la respuesta de la estructura. Sin embargo, si se tiene en cuenta la influencia de los peatones en los parámetros modales la estimación mejora y se ajusta bastante bien a los resultados reales. (iv) En el apartado del análisis del ELSV se realizaron numerosas pruebas para comprobar si las dos pasarelas peatonales cumplían los criterios de confort, obteniéndose que la PMC tiene más dificultades para cumplir los criterios de confort que la PPGB. (v) En el apartado de los sistemas de control se ha visto que el sistema pasivo es efectivo para vibraciones de amplitudes importantes (por encima de 1-2 m/s2), pero poco efectivo para vibraciones de baja amplitud. Por otro lado, el sistema activo tiene un comportamiento que básicamente insensible al nivel de amplitud de la excitación; eso sí, está limitado por la máxima fuerza que es capaz de dar el actuador, que puede no ser suficiente para excitaciones grandes. Bibliografía [1] HERNÁNDEZ-VÁZQUEZ, J., ¿Estructuras y efectos dinámicos del viento¿. 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