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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

EXPERIENCIAS EN LA INSTRUMENTACIÓN SÍSMICA DE EDIFICIO

EN LA CIUDAD DE PUEBLA

José Jaime Juàrez Botello1, Manuel Ruíz-Sandoval Hernández

2, Dulce Janeth Guillot Bojalil

3

Hugo Oswaldo Ferrer Toledo 3 y Pedro Luis Díaz Bermudez

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RESUMEN

Los avances tecnológicos en instrumentos de medición, los han hecho más confiables y precisos, por lo que se

ha generado gran interés por la instrumentación de edificios. Este método no destructivo determina el

comportamiento dinámico y sísmico, que permite un monitoreo útil para programas de detección de daños,

operación y mantenimiento estructural, con lo que puede prevenirse desastres que ocasionen pérdidas

humanas, económicas y materiales. La mayoría de los edificios instrumentados se localizan en el D.F, la

modernización de otras ciudades, como Puebla, genera la necesidad de conocer las características dinámicas

de estructuras propias de la localidad.

ABSTRACT

Technological advances in measurement tools have made them more reliable and accurate, so that has

generated great interest in the instrumentation of buildings. This nondestructive method determines the

dynamic behavior and seismic, which allows monitoring useful in screening programs of damage, operation

and structural maintenance, which can prevent disasters that cause loss of life, economic and material. Most

buildings instrumented are located in the City, the modernization of other cities, like Puebla, generates the

need to understand the dynamic characteristics of structures of the town.

INTRODUCCIÓN

La instrumentación es una herramienta experimental con la que se puede determinar y estudiar el

comportamiento dinámico de estructuras, además permite monitorear el comportamiento estructural en un

periodo de tiempo. Se lleva a cabo por medio de la instalación de sensores en puntos estratégicos de la

estructura que dependerán del tipo y número de formas modales que se quieran obtener.

La importancia de la instrumentación sísmica de edificios está en que permite hacer evaluaciones

cuantitativas de las acciones impuestas por los sismos a las estructuras y la respuesta de éstas. Estos estudios

contribuyen a mejorar los criterios de diseño y evaluación estructurales. Además, pueden ser útiles para los

programas de mantenimiento estructural.

UTILIDAD DE LA INSTRUMENTACIÓN

El monitoreo de estructuras es una manera eficiente de prevenir desastres que ocasionen una gran pérdida de

vidas humanas, así como cuantiosas pérdidas económicas y materiales. Los beneficios obtenidos al

instrumentar una estructura adecuadamente con sensores son los siguientes: determinación de las

1 Presidente Grupo Interuniversitario de Ingeniería Sísmica, 21 sur 1103; Santiago, 72410 Puebla, Pue.

Teléfono: (222)2299400; Ext.: 7506; [email protected]

2 Coordinador del Posgrado en Ingeniería Estructural, Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco,

Av. San Pablo No. 180, Col. Reynosa Tamaulipas, C.P. 02200, México, D.F., Teléfono: (55)5318-9457;

[email protected]

3 Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla, 21 sur 1103; Santiago, 72410 Puebla, Pue.

Teléfono: (222)2299400; [email protected], [email protected], [email protected]

mailto:[email protected]





XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato 2010.

2

características dinámicas, conocer su comportamiento ante condiciones de servicio, un monitoreo preciso y

constante del desempeño estructural ante excitaciones inducidas, detección de peligro potencial debido a daño

de la estructura, inspeccionar la seguridad de estructuras diseñadas con reglamentación previa.

En un lapso considerable de tiempo y teniendo los resultados de un mayor número de estructuras

instrumentadas, los beneficios de tener un monitoreo podrán permitir tener una injerencia en la

reglamentación sísmica y estructural de la localidad estudiada, además, de poder estimar la degradación

sufrida por la estructura, la propagación del comportamiento inelástico, la medición del comportamiento

estructural ante excitaciones accidentales. Todo esto recae en facilitar la toma de decisiones en cuanto a la

rehabilitación de estructuras, es decir, conocer y detectar rápidamente los elementos estructurales que son

necesarios reforzar o en otros casos reemplazar, comparar y conocer la respuesta actual de la estructura con la

respuesta esperada con un sismo de intensidad considerable y determinar la importancia de la interacción

suelo-estructura, etc.

METODOLOGIA

Aún cuando el avance tecnológico de la instrumentación ha permitido cada vez obtener más y mejores datos,

es importante señalar que la selección del tipo instrumentación depende del proyecto en cuestión y de lo que

se pretenda medir.

Los equipos de adquisición de datos pueden tener comunicación alámbrica o inalámbrica con los sensores,

por lo cual los costos de inversión, instalación y mantenimiento de instrumentar una estructura varían

drásticamente dependiendo de la modalidad a emplear. Principalmente los altos costos de instalación y de

mantenimiento de la red de sensores es la razón por la cual es poco frecuente la instrumentación de

estructuras.

Como se mencionó anteriormente, los sistemas estructurales en su gran mayoría son instrumentadas con

sensores que miden la aceleración del movimiento en tres direcciones ortogonales. Los registros se graban en

memoria de estado sólido y pueden ser recuperados a través del puerto serie mediante un equipo de cómputo.

Cada sensor convierte la aceleración del suelo en una señal o un pulso de voltaje, que con la ayuda de un

convertidor analógico-digital puede ser transformada a una señal digital. Los registros son almacenados en la

memoria, únicamente cuando se satisfaga la condición establecida de que la aceleración rebase un umbral

determinado, almacenando así lo ocurrido durante un tiempo previo y posterior a dicho disparo.

ANTECEDENTES

En México, la instrumentación de estructuras tiene su origen formalmente en los grandes proyectos

hidroeléctricos desarrollados hace más de 40 años. Considerando también la evolución que han tenido los

equipos y sistemas de registro al paso de los años, esto va desde los acelerogramas en papel y en película, que

requerían de un proceso independiente de conversión del registro analógico hasta los modernos registradores

con sistemas remotos para el acceso y transmisión de datos, ha influido en forma definitiva en el avance de la

instrumentación de edificios.

El sismo del 19 de septiembre de 1985 (Ms=8.1), fue el detonante para la ingeniería sísmica en México y

marcó también los inicios de la instrumentación sísmica, esto debido a las enormes pérdidas, tanto humanas

como de infraestructura generadas por el sismo. A partir de esa fecha se incrementó el número de estaciones

acelerográficas lo que sustentó el inicio de varios programas de instrumentación de estructuras para el registro

de temblores intensos.

En México se han realizado varios esfuerzos para instrumentar edificios y estudiar su respuesta sísmica

(Alcántara et al., 1991. CIRES, 1991. Mendoza et al., 1991. Mena et al., 1989. Meli et al., 1994. Muriá et al.,

1992. Rodríguez, 1992. Rodríguez et al., 1990. CIRES, 1994. Quaas et al., 1991 y Tena et al., 1994). Sin

embargo, los elevados costos que implica este tipo de estudios, se ve reflejado en que el número de edificios

3


instrumentados se reduce a menos de 60 en todo el país y la gran mayoría están localizados en la ciudad de

México.

La historia de la instrumentación sísmica en México está ligada con la evolución de la tecnología de los

acelerógrafos, en la década de los 60 se utilizaban equipos analógicos cuyos medios de registro eran el papel y

la película fotográfica. En la década de los 70 aparecieron los acelerógrafos digitales con sistemas de registro

en cinta magnética. Desde esos años se ha promovido en diversas instancias públicas y privadas la

instrumentación sísmica de edificios para disponer de datos que permitan esclarecer varios aspectos

relacionados con la respuesta de edificios y en particular ante aquellos sismos de gran intensidad. Se puede

considerar a los años 80 como la década de los acelerógrafos digitales de alta resolución, debido a que esos

equipos ya contaban con sistemas de almacenamiento en tarjetas tipo flash, intervalos de pre y post evento

variables, velocidad de muestreo ajustable, sistemas de activación con diferentes criterios, referencia de

tiempo tipo GPS y con opciones de monitoreo remoto para el control y transferencia de información.

Adicionalmente surgieron los registradores de más de 3 canales, creando el concepto de los sistemas

centralizados de registro, los cuales tienen gran aceptación en la instrumentación de estructuras.

La primera experiencia en México fue la Torre Latinoamericana (Zeervaert, 1960 y 1962); en ella se

registraron los movimientos sísmicos de julio de 1957 y mayo de 1962, cuyos desplazamientos relativos y

aceleraciones registradas fueron la base para establecer los coeficientes sísmicos del reglamento de

construcciones en el Distrito Federal de aquel entonces.

Desafortunadamente, esta valiosa experiencia no motivó la instrumentación de más edificios, al ocurrir los

sismos de septiembre de 1985, no se contó con ningún registro de la respuesta estructural de edificios de las

poblaciones afectadas por este movimiento. Lo anterior limitó la comprensión del comportamiento estructural

de varios edificios desplantados en los suelos arcillosos que sufrieron daños severos y evidenció la

importancia de contar con datos experimentales para poder hacer estimaciones cuantitativas de la respuesta

para estar en posibilidades de evaluar varios de los parámetros que se emplean en el diseño estructural de

edificios.

La instrumentación sísmica de edificios en la ciudad de México se retoma formalmente a partir de 1987 con el

inicio de operaciones de dos redes acelerométricas en edificios, uno desplantado en suelo firme (Murià Vila et

al, 1992) y otro en suelo blando (Murià Vila et al, 1993a y 1993b).

Actualmente, en México no son muchos los edificios instrumentados; el número exacto se desconoce. Pero

sólo uno de ellos se encuentra fuera de la ciudad de México. Esta cantidad es insuficiente para cubrir los

edificios más representativos de las regiones de mayor riesgo sísmico del país.

A pesar de los pocos edificios instrumentados y del rezago de aproximadamente tres décadas con respecto a la

experiencia de los países pioneros en este tema (Estados Unidos y Japón), con la información obtenida se han

determinado propiedades dinámicas de los sistemas estructurales, los efectos de torsión, la variación de

parámetros y efectos de interacción suelo-estructura. Los resultados obtenidos a la fecha son interesantes.

Estos han permitido concluir que las consideraciones de análisis de las estructuras que se suponen en la

práctica profesional, requieren ser mejoradas para que se apeguen más a la respuesta dinámica real. Entre

estas consideraciones destacan el deterioro estructural y los efectos de interacción suelo- estructura. El nuevo

reglamento de construcciones de la ciudad de México incluye modificaciones que toman en cuenta algunos

resultados de ambos aspectos.

En el mundo, la instrumentación sísmica de edificios es limitada, con excepción de Japón y Estados Unidos

que cuentan con cientos de ellos. Los registros obtenidos de estos edificios han sido fundamentales para

comprender mejor su comportamiento estructural, para evaluar y modificar los criterios de diseño sísmico de

las edificaciones. Las investigaciones realizadas con base en estos registros han sido de provecho para otros

países pero no basta para esclarecer las dudas concernientes a las respuestas sísmicas de los edificios dadas las

particularidades estructurales y de sitio que hay en México. Por lo tanto entre los expertos se han generado

conjeturas y especulaciones en varios aspectos del comportamiento estructural, así como sobre los sistemas y

las técnicas de rehabilitación que deben aplicarse a las estructuras dañadas.


4

Estos hechos indican la necesidad de contar con datos confiables y es por ello la conveniencia de instrumentar

los edificios más representativos de las poblaciones del país, ya que teniendo como base datos reales de las

respuestas estructurales, se podrá evaluar el comportamiento de sistemas estructurales propios y de efectos de

sitio peculiares a fin de esclarecer tales controversias.

Por este motivo, se decidió realizar este tipo de investigación en la ciudad de Puebla, considerando que es una

zona de alta actividad sísmica, comentando en este trabajo las experiencias, resultados y conclusiones

obtenidas.

INSTRUMENTACIÓN DE EDIFICIO C

El edificio en estudio es una estructura de 4 niveles, su uso esta destinada principalmente a aulas académicas.

Tiene en total 40 de estas, 10 por cada nivel, cuenta además con un área de oficinas administrativas en el

segundo nivel y una capilla en el tercer nivel.

Se eligió está estructura por sus características arquitectónicas particulares, además de que anteriormente se

habían realizado mediciones de vibración ambiental y obtenido los periodos fundamentales de vibración.

Debido a lo anterior sería posible una comparación de los resultados y observar algún cambio en sus

propiedades al paso del tiempo.

Figura 1 Vista aérea edificio “C” UPAEP

El edificio C, es uno de los 4 edificios principales de la Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla

(Fig.1 y Fig. 3), fue construido en el año de 1998 y se localiza en el Campus Central de la UPAEP en la

ciudad de Puebla (Fig. 2). El Campus Central se encuentra sobre un suelo con limos y arcillas arenosas, cuya

compresibilidad varía de baja a muy alta. Se ha detectado en la zona artesianismo bajo estratos profundos. No

existe un perfil estratigráfico que se considere típico ya que las diferentes capas se presentan en número y a

profundidad variable. El periodo de vibración natural del suelos es de 0.72 seg. (Ruiz-Acevedo, 1992).

El edificio está cimentado sobre suelo clasificado en la zona B del Reglamento de Construcciones de la

ciudad de Puebla. Para conocer el periodo de vibración natural del suelo es necesario mencionar que con

anterioridad se han hecho estudios sobre la interacción suelo-estructura del edificio citado.

5


Figura 2 Campus Central UPAEP

La posición geográfica del edificio C, obtenida por medio de un GPS, es: N 19°02’53.30’’, WO

98°12’59.74’’ y Elevación 2149 m

a) Edificio A b) Edificio B

c) Edificio C d) Edificio T

Figura 3. Edificios principales UPAEP Campus Central

Edificio A

Edificio A Edificio C

Edificio B

Edificio T


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SISTEMA ESTRUCTURAL

El edificio C es una estructura formada por un sistema de marcos, consta de 4 niveles, la losa de los 3

primeros niveles es a base de vigueta y bovedilla apoyada en una dirección, la azotea tiene un sistema de piso

metálico (losacero) con cuadrado a fin de darle la pendiente requerida. Este edificio se encuentra en sentido

perpendicular a los edificios A y B, existiendo comunicación con el edificio B por medio de puentes

simplemente apoyados, de tal forma que no haya trasmisión de esfuerzos (Figura 4).

Su geometría en planta y elevación es regular. Las alturas de entrepiso son de 3.70m, tiene dimensiones de

48.00 m en sentido longitudinal (estructurado a base de marcos de 8 crujías de 6m cada una) por 11.80m en el

sentido transversal (marcos de 2 crujías de 5.90 m).

Este edificio tiene dos volados de forma trapecial uno en el nivel 3 y otro en el nivel 4. Dichos trapecios

tienen como base mayor, la cual está unida al edificio, una base mayor de 12.00 m, una base menor de 9.80 m

y una longitud de 2.00 m (Figura 5, 6 y 7).

Para el análisis y diseño estructural, se hicieron las consideraciones siguientes:

1. De acuerdo a la zonificación geotécnica de la ciudad de Puebla se define que el suelo típico en la

zona es de depósitos eólicos de origen volcánico no consolidados, que poseen regular capacidad de

carga.

2. La estructura por su destino (escuela), se clasifica en el grupo A por ser una institución educativa y

por tanto desde el punto de vista sísmico, los parámetros de diseño deben ser incrementados. En la

regionalización sísmica de la República Mexicana se ubica en la zona B.

3. El terreno se considera de tipo intermedio (tipo II), de acuerdo a la zonificación sísmica del

municipio de Puebla, con periodos aproximados a 0.72 seg., sin embargo con resultados de un

estudio de mecánica de suelos se debe verificar la clasificación de la zona para la definición de

parámetros sísmicos. Puede suponerse conservadoramente una capacidad de carga de 10 Ton/m2.

(Figura 8)

FIGURA 4. Puente entre edificios B y C FIGURA 5. Planta niveles 2 y 4

FIGURA 6. Vista del edificio C (fachada Norte) FIGURA 7. Perspectiva del Edificio C

7


Ubicación Edificio “C”

Figura 8. Mapa de zonificación sísmica de la ciudad de Puebla

Observaciones estructurales

El sistema estructural del edificio de concreto reforzado, de acuerdo a la visita técnica realizada, está definido

por marcos con mampostería de tabique rojo confinados por dalas y castillos de concreto reforzado. Los

elementos estructurales principales son:

Cimentación: La cimentación es a base de zapatas aisladas de concreto reforzado. El concreto utilizado es de

f´c = 250 kg/cm2 y el acero de refuerzo de fy =4200 kg/cm2

Muros divisorios: son de tabique rojo, confinados por dalas y castillos de concreto reforzado. El ancho de los

muros es en general es de 15 cm.

Columnas y trabes: En general los muros no son los elementos de carga, las columnas son de sección

hexagonal, pentagonal y rectangular. Los ejes 1 y 3 son iguales en cuanto a la disposición y tamaño de

secciones. Las columnas pentagonales se encuentran en la intersección del eje 1 con los ejes A, D, H y K. Las

columnas hexagonales se encuentran en la intersección del eje 1 con los ejes B, C, F, I y J, mientras que las

columnas de sección rectangular se ubican en el eje 2. Todas las trabes son de sección rectangular.

Losas: Las losas de entrepiso son de concreto reforzado, se definen como un sistema prefabricado de vigueta

y bovedilla de 25 a 30 cm de espesor aproximado considerando una capa de compresión de 5 cm. Las

viguetas se apoyan en los marcos con un claro de 5.90 m y de 1.20m (pasillos). Debe tener nervios de rigidez

y temperatura en sentido perpendicular. La losa de azotea es un sistema de piso metálico apoyado en

largueros.

Las cargas que debe soportar una estructura son del tipo permanente (carga muerta ó peso propio), cargas

vivas que dependen del destino de la construcción y cargas accidentales (sismo y viento).

Actualmente los reglamentos establecen que las estructuras deben de soportar sin falla las cargas antes

mencionadas y definen en dichos reglamentos los valores de intensidad de carga variable (carga viva) y de

carga accidental (sismo y viento).

En general se deben tomar en cuenta los valores máximos de estas cargas y las combinaciones más

desfavorables para realizar el diseño estructural de los elementos de tal modo que tengan los factores de

seguridad adecuados.

En esta construcción, por ser de uso educativo, como se mencionó anteriormente se clasifica en el Grupo A y

las cargas vivas serán al menos de 250 kg/m2 en los entrepisos, de acuerdo al Reglamento de la ciudad de

Puebla.


8

Por la visita realizada al edificio desde el punto de vista estructural, se puede concluir que como no se

observaron daños en los elementos estructurales principales (muros, trabes, castillos, losas, cimentación) que

indiquen mal comportamiento de la estructura, la resistencia de los elementos estructurales con las

dimensiones y refuerzos existentes es adecuada. Tampoco se observaron fisuras, agrietamientos ni

deformaciones, ni se detectaron humedades, por lo que la condición de servicio de la estructura es adecuada,

faltando por considerar los resultados de cambio de rigidez que se verán con el estudio que se esta realizando.

MEDICIONES

En este capítulo se describen los diversos instrumentos utilizados para la medida de los parámetros dinámicos

que caracterizan el comportamiento de la estructura. Se realizaron mediciones en el edificio C, con el objeto

de determinar los periodos fundamentales de vibración en la estructura. Las mediciones se realizaron de

manera alámbrica e inalámbrica con el fin de tener una comparativa en resultados.

En esta etapa se realizaron mediciones en el área donde se encuentra ubicado el edificio C, con el objeto de

determinar las frecuencias naturales de vibración en el terreno libre y poder identificarlas en el momento que

se obtengan los resultados de las mediciones realizadas en el edificio de estudio. Esto se presenta si el edificio

es rígido de modo que las vibraciones del suelo se pueden transmitir a través del edificio y tener una amplitud

considerable en las mediciones realizadas en la estructura.

Mediciones alámbricas

Las mediciones alámbricas se realizaron mediante de 2 sensores uniaxiales. Los instrumentos utilizados

consisten en un sistema de adquisición de datos SIGLAB modelo 20-42, 2 sensores capacitivos modelo

3701G3FA3G y un acondicionador de señal modelo 478A01.

El sistema de adquisición de datos SIGLAB modelo 20-42 (figura 9) permite grabar, visualizar y en algunos

casos el procesamiento de los datos obtenidos por los transductores. Este modelo tiene la capacidad de

procesar señales de hasta 20kHz y tiene la posibilidad de conectar 4 instrumentos de entrada y 2 de salida.

Este equipo contiene aplicaciones llamadas Instrumentos Virtuales para realizar mediciones y analizarlas en

un ambiente de MATLAB.

Figura 9. Sistema de adquisición de datos SIGLAB modelo 20-42

Acelerómetro capacitivo modelo 3701G3FA3G

El acelerómetro capacitivo modelo 3701G3FA3G (Figura 10), está fabricado con piezas microelectrónicas

que proporcionan señales de salidas normalizadas. Posee un regulador interno de voltaje lo que posibilita que

sea alimentado desde cualquier fuente de energía no regulada. Un amortiguamiento natural de aire atenúa las

vibraciones de alta frecuencia no deseados y proporciona un desempeño estable en todo su rango de operación

de temperaturas. Mediante una placa que sirve de aislador de tierra se minimiza la posibilidad de ruido por

9


efecto de bucles de tierra. La conexión se realiza a través de un cable de múltiples pines que proporciona una

conexión hermética. Está cubierto de titanio para protegerlo en ambientes extremos.

Figura 10. Acelerómetro modelo 3701G3FA3G

Acondicionador de señal

El acondicionador de señal modelo 478A01 (Figura 11), es un modelo de canal único que proporciona energía

a sensores capacitivos. Trabaja a base de tres baterías alcalinas de 9 V, o corriente directa de 27 V capaz de

suministrar al menos 1.5 watts. El panel frontal contiene dos enchufes, en la primera (SENSOR) se conecta el

transductor y en otra (OUTPUT) el cable al sistema de adquisición de datos. Está equipado con la

característica de ajustar la línea base de medición.

Figura 11 Acondicionador de señal modelo 478A01

Ubicación de los sensores en la Estructura Existen diferentes propuestas de ubicación de sensores con el propósito de identificar parámetros dinámicos.

Debido a que el número de sensores está a veces limitado por los costos de la instrumentación, tanto de los

equipos como de su instalación, es importante una metodología para la ubicación óptima de los sensores.

Para pruebas en estructuras simples como en nuestro caso, se puede determinar la ubicación óptima de los

sensores y actuadores en base a la experiencia del ingeniero, o incluso a través de un enfoque de prueba o

error.

En este trabajo de investigación, se realizaron mediciones en 3 diferentes puntos en el cuarto nivel de la

estructura, colocando los sensores en la siguiente posición (Figura 12):


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Tabla I. posición en planta de los sensores

Figura 12. Puntos de medicion en azotea de Edificio C

Tabla 1 Coordenadas de ubicación de los puntos de medición

Punto 1 Punto 2 Punto 3 N:19º02.889’ N:19º02.887’ N:19º02.888’

WO: 98º12.994’ WO: 98º12.992’ WO: 98º12.996’ Elevación: 2165m Elevación: 2165m Elevación: 2165m

Mediciones inalámbricas

Los instrumentos necesarios para ensamblar un nodo capaz de realizar mediciones son las tablillas

IBB2400 y SHM-A con el acelerómetro IS344ALH. Además es necesario contar con un nodo de

enlace entre los nodos de medición y la computadora. Este nodo consta de las tablillas IMOTE2,

IPR2400 y IIB2400 y se suministra energía a través del cable USB mini- B. Este cable conectado a

la tablilla IIB2400 y la computadora genera dos puertos virtuales UART, de los cuales uno es

utilizado para programación de los sensores y el otro para comunicación de datos.

El sistema de adquisición de datos se basa en un grupo de herramientas de código abierto diseñado

para el proyecto Illinois Health Monitoring Project, el cual funciona en un sistema operativo

TinyOS. Entre las herramientas disponibles se encuentran la aplicación RemoteSensing que permite

obtener datos de aceleración sincronizados de una red de sensores y la aplicación Autocomm para

automáticamente archivos de registros.

Tablilla SHM-A

Es una tablilla de sensores diseñados para aplicaciones de monitoreo de la salud estructural para el

proyecto Illinois Health Monitoring Project (Figura 13). Esta tablilla proporciona mediciones de

aceleración en tres ejes mediante un acelerómetro modelo LIS344ALH y funciona a través de una

interfaz con la plataforma Imote2.

Figura 13. Tablilla SHM-A.

1 3

2

EDIFICIO T

ED

IFIC

IO A

ED

IFIC

IO B

11


Acelerómetro capacitivo

El modelo LIS344ALH es un acelerómetro lineal en tres ejes que incluye un elemento sensible y

una interfaz IC. El elemento sensible se encarga de detectar aceleraciones mediante un sensor

inercial fabricado en silicón. La interfaz IC convierte la información del elemento sensible a una

señal análoga compatible a los programas para su análisis.

Tablilla IMOTE2 IPR2400

Es la plataforma para sensores inalámbricos construido a base de un procesador PXA271 XScale.

Tiene un diseño modular y apilable mediante conectores de interfaz para tablillas de expansión en

ambas caras. El procesador PXA271 es un módulo multi-chip (3 chips), el CPU con 256 kB SRAM,

32 MB SDRAM y 32 MB Memoria FLASH. El IMOTE2 utiliza un transceptor de radio CC2420

IEEE802.15.4, el cual soporta una velocidad de datos de 250 kb/s. (figura 14)

Figura 14 Tablilla IMOTE2 IPR2400.

Tablilla IIB2400

Es una tablilla de interfaz la cual proporciona dos puertos seriales USB o una interfaz JTAG a la

tablilla Imote2 (figura 15). La tablilla de interfaz se conecta a la computadora a través de un

conector USB mini- B.

Esta plataforma permite programar la tablilla Imote2 o depurar tablillas avanzadas de sensores. La

actividad de comunicación es indicada mediante LEDs para cada uno de los puertos seriales

(rojo/azul para recibir/transmitir). En la Figura se muestra la tablilla IIB2400.

Figura 15. Tablilla IIB2400


12

Tablilla IBB2400

Es una tablilla básica universal de baterías diseñada para abastecer de energía a los Imote2, utiliza 3

pilas AAA. La tablilla al Imote2 se conecta a través de los conectores básicos o avanzados. En la

Figura 16 se muestra la tablilla

Figura 16. Tablilla IBB2400.

RESULTADOS

Una vez realizadas las mediciones, se procedió con el procesamiento de datos y eliminar los registros que no

son de interés mediante un filtro, corregir el eje de amplitudes para que sea cero para cada registro y

finalmente aplicar una técnica para determinar las características del sistema estructural a partir de un análisis

en los dominios del tiempo o de la frecuencia.

Transformada rápida de Fourier

Un primer método para determinar dichas características es realizar un análisis espectral convencional. Al

aplicar la transformada rápida de Fourier se puede obtener la información en el dominio de las frecuencias de

las historias de aceleración obtenidas. La siguiente formulación ha sido tomada de Bendat y Piersol (1989).

La Transforma de Fourier del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia puede definirse con la siguiente

ecuación:

(1)

La cual se puede escribir como:

(2)

Las amplitudes de Fourier se componen de una parte real y de una imaginaria

(3)

Los espectros de potencia de las señales se calculan de la siguiente forma:

(4)

Las frecuencias naturales del sistema se muestran en los picos del espectro de potencia.

13


A continuación se muestran algunas mediciones realizadas en la estructura (Figura 17), para cada punto de

medición se obtuvo a través del procesamiento, el espectro de frecuencias correspondiente. Este se obtiene

por medio de la Transformada de furrier la cual se describió anteriormente.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 510

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

Frequency content of y

frequency (Hz)

0 5 10 15 20 25 30 35 40-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

a) Espectro de frecuencias medición número 1 b) Espectro de frecuencias medición número 2

0 5 10 15 20 25 30 35 40-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

0 5 10 15 20 25 30 35 40-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

c) Espectro de frecuencias medición número 3 d) Espectro de frecuencias medición número 5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 510

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

Frequency content of y

frequency (Hz)

0 5 10 15 20 25 30 35 40-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

e) Espectro de frecuencias medición número 6 f) Espectro de frecuencias medición número 7

Figura 17. Ejemplos de los Espectro de frecuencia obtenidos


14

MODELADO DE LOS EDIFICIOS.

Se calcularon además los periodos y modos de vibrar de las estructura de manera analítica para esto se

utilizaron varios programas de análisis estructural, y, se compararon con los resultados obtenidos de forma

experimental.

Al no contar en algunos casos con memorias de cálculo de los edificios, se realizó un levantamiento físico del

edificio en estudio en cuanto a sistemas de losas, secciones de columnas y trabes, claros, alturas, etc.,

tomando la sección neta de concreto.

Los programas utilizados para modelar fueron: SAP2000, ECOcw, ETABS y STAAD. A continuación, se

muestran los resultados obtenidos en el SAP2000 (Structural Analysis Program), desarrollado por Computers

and Structures, Inc. a cargo del Dr. Edward L. Wilson Profesor Emerito de la Universidad de Berkley

California. Se decidió utilizar este programa por la facilidad de manejo, tanto en asignación de secciones de

cualquier tipo (constante o variable), cargas, diafragmas, apoyos, combinaciones de cargas, contando con un

ambiente de windows, generación de tablas de datos tanto de geometría del edificio, cargas, apoyos, nudos,

cortantes, momentos flexionantes, normales, reacciones, etc. También genera gráficas de cada uno de los

elementos mecánicos, así como simulación de los modos de vibración por periodo.

El programa se basa en el método del elemento finito (MEF) (Chandrupatla, T. y Belegundu, 1999) para el

análisis, y para diseño cuenta con una gran variedad de códigos que pueden seleccionarse, dentro de estos

códigos se encuentran incluyendo en versiones superiores el Reglamento de Construcciones para el Distrito

Federal.

Se analizo el modelo de acuerdo al levantamiento físicos del edificio, en el SAP2000, se obtuvieron los

periodos de vibración, se generaron animaciones de cada periodo para verificar los modos, perspectivas,

cortes longitudinales y transversales.

Figura. 18 Isométrico edificio “C” Figura 19. Fachada edificio “C”

z x

y z

x

15


Figura 20. Corte transversal Figura 21. Planta edificio “C”

Tabla 2 Periodos obtenidos para el edificio “C” con SAP2000

MODO PERIODO

(Seg.) FRECUENCIA (Ciclo/Seg.)

1 0.333776 2.996019 2 0.292215 3.422135 3 0.248967 4.016603

CONCLUSIONES

En el desarrollo de esta investigación, se constató que en muchos casos no se cuenta con planos estructurales

de los edificios, o bien teniéndolos éstos no coinciden con la realidad, con lo que podemos concluir que en

ocasiones no se construye con lo propuesto, por lo que se hace necesario realizar un levantamiento físico de

las estructuras para contar con elementos que nos permitan dar un diagnóstico lo mas aproximado a la

realidad.

El edificio en estudio no cuenta con un historial que determine su comportamiento sísmico durante su vida,

circunstancia que es común debido a que no existe la suficiente cultura de prevención en el país, a pesar de

que el territorio nacional se encuentra en una zona de actividad sísmica constante.

Este trabajo de investigación, se dividió en dos etapas, una es la determinación experimental de los modos de

vibración y una segunda etapa que consistió en el modelado del edificio y la comparación de resultados.

Se observo en esta investigación que la instrumentación de estructuras tiene ventajas por lo siguientes

aspectos: confiable porque obtiene los datos directamente del comportamiento del edificio; versátil porque se

puede aplicar en cualquier estructura y para diferentes usos (suelos, edificios); fácil de aplicar, porque basta

colocar lo sensores en los centros de torsión y el del extremo sobre losa; rápido porque los resultados se

pueden obtener, es un método no destructivo y, finalmente su instalación es simple, y basta con tener el

equipo.

El conocer el periodo fundamental de vibración del edificio permitirá verificar que el periodo fundamental de

la estructura no coincida con el del suelo, con la finalidad de evitar el fenómeno de resonancia; y, en el caso

de edificios muy flexibles, tengan grandes desplazamientos que los harían parecer inseguros.

z

y

y x


16

Es necesario que los edificios importantes sean instrumentados, con la finalidad de conocer el cambio en sus

propiedades dinámicas. Se propone la instrumentación permanente de la estructuras para estudiar el

comportamiento dinámico ante un sismo.

En la actualidad no es posible saber cuando va a suceder un sismo y mucho menos la magnitud de éste, pero

sí podemos disminuir sus efectos, tanto en perdidas humanas como económicas; recordando que las

estructuras necesitan mantenimiento y servicio constante.

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