Posicionamiento óptimo de sensores para monitorización continua de estructuras de ingeniería civil

Abstract

A lo largo de la vida útil las estructuras civiles, los agentes externos a los que están sometidas producen una evolución de su estado, modificando sus características iniciales tales como las propiedades de los materiales, la respuesta frente a las solicitaciones, los modos de vibración principales de la estructura etc., que se traducen en daños en la estructura. Dicho deterioro continuo es el culpable de que con el paso de los años las estructuras civiles dejen de ser aptas para realizar su función y que por lo tanto deban ser sustituidas por otras. Usualmente, resulta más económico monitorizar el estado de la estructura en el tiempo y minimizar su desgaste con el fin de ampliar su vida útil que derrumbarla y reemplazarla por otra nueva que realice la misma función. Dicho motivo económico ha suscitado un creciente interés por el estudio de la monitorización de estructuras civiles en numerosos investigadores en las últimas décadas. Para realizar una monitorización eficiente de estructuras civiles es necesario contar con un software de obtención de datos y de sensores para captar la información modal de la estructura, su respuesta vibracional. La adquisición de los sensores utilizados en la monitorización estructural supone un coste adicional importante, por lo que es conveniente usar el mínimo número de sensores posibles colocados de forma precisa en las posiciones adecuadas para captar una cantidad de información de la estructura adecuada para que su evaluación sea lo más precisa posible. Es decir, se procura optimizar la posición de los sensores para conocer de forma efectiva el comportamiento dinámico de las estructural y de gastar el menor capital posible, lo que se conoce como posicionamiento óptimo de sensores. Los avances tecnológicos de los últimos años han permitido disponer de equipos de monitoreo de estructuras de alta precisión, así como potentes softwares en los que es posible realizar un modelo numérico de estructuras civiles e implementar distintos métodos de posicionamiento óptimo de sensores con un bajo coste computacional. El uso en conjunto de estas tecnologías nos capacita para realizar medidas en todos los grados de libertad de cualquier estructura civil y el monitoreo continuo con distintos métodos de posicionamiento óptimo de sensores, además de poder hacer una comparación entre los resultados obtenidos para concluir cual es el más exacto. Así pues, éste trabajo fin de master consiste en el estudio de los distintos métodos de optimización de posicionamiento de sensores para la monitorización continua de estructural civiles, así como la identificación del método más eficaz para conseguir ahorrar lo máximo posible en el proceso de monitorización de una estructura.

Throughout the useful life of civil structures, the external agents to which they are subjected produce an evolution of their state, modifying their initial characteristics such as the properties of materials, the response to loads, the main modes of vibration of the structure, etc., which result in damage to the structure. Due to this continuous deterioration, as time goes by, civil structures stop being suitable to perform and have to be replaced by others. It is usually more economical to track the condition of the structure over time and minimize the damage in order to extend its service life rather than to demolish it and replace it with a new one that performs the same function. This economic motive has aroused a growing interest in the study of civil structure monitoring by numerous researchers in recent decades. To carry out an efficient monitoring of civil structures it is necessary to have a data acquisition software and sensors to capture the modal information of the structure, its vibrational response. The acquisition of sensors used in structural monitoring is an important additional cost, so it is convenient to use the minimum number of sensors precisely placed in the appropriate positions to capture a quantity of information from the appropriate structure to make its evaluation as accurate as possible. That is to say, we try to optimize the position of the sensors to know effectively the dynamic behavior of the structures and to spend as little capital as possible, which is known as optimal sensors placement. Technological advances in recent years have made it possible to have high-precision structural health monitoring equipment, as well as powerful software in which it is possible to make a numerical model of civil structures and implement different methods of optimal sensor positioning at a low computational cost. The joint use of these technologies enables us to perform measurements in all degrees of freedom of any civil structure and continuous monitoring with different methods of optimal sensor positioning, in addition to being able to make a comparison between the results obtained to conclude which is the most accurate. Thus, this final master's thesis consists in the study of the different methods of optimization of sensor positioning for continuous monitoring of civil structures, as well as the identification of the most effective method to achieve maximum savings in the monitoring process of a structure.