Técnicas de actualización aplicadas a la detección de daños

Resumen

En esta tesis se presenta un estudio en el que se ha desarrollado un método para llevar a cabo el seguimiento de la integridad estructural (health monitoring, en inglés) de sistemas estructurales estando este en condiciones normales de operación.El trabajo abarca tanto aspectos teóricos como experimentales, incorporándose al estado actual del arte soluciones novedosas en la aplicación de las técnicas directas de actualización o sintonización (updating en inglés) de modelos de elementos finitos a la detección de daños estructurales. En cuanto a la vertiente experimental, se proponen modificaciones que mejoran las técnicas de análisis modal en el dominio del tiempo que permiten disminuir la instrumentación necesaria. Al mismo tiempo, se definen nuevos parámetros de confianza modal y de correlación que permiten cuantificar de forma más precisa la calidad de los resultados obtenidos mediante la aplicación de los métodos de extracción de parámetros modales, pudiendo de esta forma identificar aquellos calificados como espúreos. En particular, se han estudiado en detalle métodos en el Dominio del tiempo de Ibrahim (ITD), el Método Exponencial Complejo (CEM) y el Eigensystem realization Algorithm (ERA) con los parámetros de confianza modales Indicador de Consistencia Modal (CMI) y Coherencia de Aplitud Modal Extendida (EMAC), comprobando las carencias que presental en determinadas aplicaciones. En este sentido, se proponen dos nuevos métodos basados en los anteriores y denominados Dominio del Tiempo de Ibrahim Ampliado (AITD) y Método Exponencial Complejo Unificado (UCEM). En ambos casos es posible determinar ahora tantos modos como señales de respuesta del sistema se han metido, sin la limitación que presentan los originales que únicamente obtienen un modo por cada dos señales. Además, el UCEM permite manejar todas las señales a un mismo tiempo, mientras que el CEM las trata una a una, obteniéndose por tanto de esta forma unos resultados más homogéneos para todo el sistema. Por otra parte los resultados proporcionados por el ERA, para sistemas reales son dependientes de los parámetros de entrada del método, y por tanto se hace necesario el cálculo de parámetros de confianza modal que den una idea de la calidad de los resultados obtenidos. Los parámetros CMI y EMAC son parámetros puntuales, por lo que se han definido nuevos parámetros calculados a partir de consideraciones globales de las respuestas. Estos nuevos parámetros se han denominado Indicador Global de Consistencia Modal (CMGI) y Coherencia de Amplitud Modal Extendida Global (GEMAC). En la vertiente teórica se proponen nuevas técnicas de visualización para la detección del daño estructural de un sistema mediante el cálculo del parámetro vector error y su expansión para ser tratado como un autovector en los programas de postproceso de resultados de elementos finitos. La visualización es fundamental cuando se trata de estructuras complejas, a la hora de conseguir una interpretación fácil. El vector error se calcula a partir de matrices error obtenidas a partir de diferencia entre las matrices de masa y rigidez iniciales del modelo y las matrices de masa y rigidez del modelo sintonizado con los actuales valores experimentales de las estructura. Una vez calculada estas matrices de error, el vector error se obtiene transfiriendo el error asociado un grado de libertad a una componente del mismo, de forma que resulta más intuitivo y rápido a la hora de aplicar las técnicas de actualización de modelos de elementos finitos a la detección de daños, haciendo de así factible su utilización en estructuras complejas. Las técnicas expuestas llevan manejándose desde hace tiempo. En este trabajo se ha generado un protocolo de experimentación unificado, incluyendo los aspectos novedosos relativos al análisis experimental y al análisis teórico. La demostración se ha llevado a cabo realizando un experimento que simulaba un ensayo de fatiga, y, durante éste, se va analizando continuamente la integridad de la m sma, midiendo modos y frecuencias propias, y, localizando dónde se está produciendo, y cómo crece, el daño durante los ciclos de fatiga.