Análisis de modos de vibración en estructuras mediante registro de vibraciones de ruido ambiente

Abstract

Los métodos tradicionales de Análisis Modal Operacional, u OMA por sus siglas en inglés, requieren de fuentes de excitaciones de entrada conocidas para correctamente identificar los parámetros modales y el comportamiento dinámico de edificios y estructuras. Debido a lo anterior, los ensayos deben ser llevados a cabo bajo estricto control de las condiciones del lugar y la estructura para minimizar la influencia de fuentes de excitaciones desconocidas y/o no previstas. Sin embargo, en estructuras publicas o de servicio como puentes y túneles carreteros o ferroviarios, no es sencillo detener el normal funcionamiento de estas, por lo que es preferible realizar los estudios mediante registros de vibraciones ambientales, o de solo datos de salida. Este trabajo investiga sobre identificación de frecuencias modales en estructuras de gran tamaño a través de métodos experimentales basados en descomposiciones de vibraciones ambientales por paquetes de Wavelet discretos para su posterior análisis en tiempo y frecuencia mediante la transformada y el espectro de Hilbert. Se realizaron ensayos prácticos en una pasarela peatonal ubicada sobre la autovía CA-35, Cádiz, España. Los resultados obtenidos por métodos experimentales fueron comparados con resultados obtenidos a través de métodos ya establecidos: Una modelación por elementos finitos (FEM) como método de referencia teórico, identificación modal por los métodos LSCE y 4SID como referencia de métodos empíricos y la transformada de Hilbert-Huang como referencia de método espectral.

Conventionally, Operational Modal Analysis (OMA) requires well-known input sources of excitation in order to perform correct identifications of structure´s dynamic and modal behave. Due to this, most field testing must be done under strictly controlled conditions to minimize the influence of unknown free ambient sources of vibrations. Nevertheless, on public structures or service installations, like highway and railways bridges or tunnels, it is not possible to stops the structure standard functioning and they must be tested on normal operation using structure´s response to ambient vibrations as output only know data. This work research on experimental methods for natural frequencies identification on large structures, based on discrete Wavelet packet decompositions of free ambient vibrations measurements for post analysis on time and frequency domain through Hilbert´s transform and spectrum. Field test where performed on a pedestrian footbridge over CA-35 highway in Cádiz, Spain. A comparison of results obtained from proposed experimental spectral methods vs results obtained from traditional modal identification methods were also done: A Finite Element Model (FEM) as a theoretical method reference, Least-Square Complex Exponential (LSCE) and Subspace State Space Systems Identification (4SID) as empirical methods reference, and Hilbert-Huang Transform (HHT) as experimental spectrum method reference.