Evaluación estructural de edificaciones históricas mediante análisis modal operacional (OMA)

El análisis modal operacional (OMA) se ha consolidado en las últimas décadas como un método de gran interés para caracterizar los parámetros dinámicos (frecuencias naturales, modos de vibración y coeficientes de amortiguamiento modal) de todo tipo de estructuras. Los buenos resultados obtenidos, la simplicidad de aplicación y el bajo coste de su ejecución, hacen de esta técnica una herramienta muy atractiva. Presenta un especial interés la asociación de OMA al mundo de la arquitectura histórica, donde el uso de técnicas no destructivas resulta fundamental para su evaluación estructural. La aplicación de OMA antes y durante el desarrollo de un programa de rehabilitación sobre una edificación histórica, proporciona una serie de datos sobre los efectos que dicha intervención ha tenido sobre la estructura de dicha edificación. Por un lado, permite observar los cambios en los parámetros dinámicos de la estructura, haciendo estimaciones de éstos en diferentes estados de la rehabilitación, realizándose así un control de la intervención. Por otro lado, los datos obtenidos pueden usarse para calibrar y validar modelos numéricos, reduciéndose así el elevado nivel de incertidumbre que presentan los modelos de elementos finitos (EF) de este tipo de edificaciones. La calibración del modelo se refiere a la corrección de las deficiencias inherentes en el modelo de EF, haciendo coincidir los resultados de éste con los datos obtenidos experimentalmente a través de OMA. En el presente documento de investigación, tras repasar los fundamentos teóricos y el estado del arte de la aplicación de OMA sobre estructuras históricas de fábrica, se presenta la doble vertiente que ofrece dicha técnica a través de su aplicación práctica sobre una serie de casos de estudio. El Teatro Romano de Cádiz (Cádiz, España), la Capilla de la Jura (Jerez de la Frontera, España), la Iglesia de Santiago (Jerez de la Frontera, España), el Monasterio de San Jerónimo de Buenavista (Sevilla, España) y la Capilla del Palacio de Würzburg (Würzburg, Alemania) son las edificaciones históricas analizadas dinámicamente en el presente documento. El objetivo fundamental de la presente tesis es avanzar en la aplicación del Análisis Modal Operacional (OMA), como técnica no destructiva, para evaluar la seguridad estructural sobre estructuras históricas de fábrica. Se propone sistematizar y extender el método como una herramienta fundamental para el diseño y el control de proyectos de rehabilitación sobre este tipo de edificaciones, utilizando esta técnica tanto para la evaluación y control de las mismas, como para la validación y verificación de modelos numéricos de cálculo estructural. Finalmente, se concluye que el Análisis Modal Operacional (OMA) ha alcanzado un grado de madurez significativo en relación al mundo de la arquitectura histórica. En el presente trabajo se apuesta por el desarrollo de esta técnica de identificación modal en este tipo de edificaciones, respaldándonos en los buenos resultados obtenidos. Se consolida el uso de la técnica OMA, tanto para llevar a cabo el control de una intervención estructural, como para calibrar modelos numéricos de gran escala. Estos modelos, que representan construcciones históricas generalmente masivas y originariamente llenas de suposiciones, tras su calibración nos permiten estimar el efecto estructural de las intervenciones antes de que estas se produzcan.Premio Extraordinario de Doctorado U

Control of the structural intervention in the area of the Roman Theatre of Cadiz

El Teatro Romano de Cádiz (España) es parte de la herencia romana que ha permanecido oculta durante siglos bajo el casco histórico de la ciudad. Se trata del teatro romano más antiguo y de mayores dimensiones localizado en España. En el año 2010, se inició una intervención con el fin de descubrirlo. La intervención consiste en la construcción de una serie de bóvedas de hormigón bajo los edificios construidos sobre el teatro aplicando la técnica de la inyección armada. El control de esta intervención se está realizando por medio de dos técnicas: control topográfico y Análisis Modal Operacional. La metodología seguida para el control de la intervención en el área del teatro romano y los resultados obtenidos de la misma son los principales objetivos del presente artículo.The Roman Theatre of Cadiz (Spain) is a piece of heritage that has been buried for centuries under the historical town. It is the oldest and biggest Roman theatre in Spain. In 2010, an intervention began in order to dig it up but respecting the monumental landmarks over it. The intervention consisted on the construction of some vaults under the blocks by grout injection. The control of this intervention is being done by two different techniques: topographic control points and Operational Modal Analysis. The methodology that has been followed to control the intervention on this area and the obtained results are the main goals of this paper

Ambient vibration testing, dynamic identification and model updating of a historical building. Chapel of the Wurzburg Residence (Germany)

One of the main difficulties that can be detected in a historical building structural analysis is the high level of uncertainty associated with many factors affecting the behavior of the structure. Slight modifications of the mechanical properties of the structural materials, the soil-structure interaction or even the building construction process may be the cause of high changes between the results obtained from a numerical analysis and others estimated experimentally. Among the non-destructive techniques, the finite element model updating from the dynamic modal parameters identified experimentally, allows the adjustment of these models in order to obtain a more accurate estimation of behaviour of the structure. In the present paper, the implementation of this technique on the Chapel of the Würzburg Residence (Germany), one of the most important churches of the Central European Baroque has been presented. The experimental modal parameters have been estimated from the operational modal analysis of the signals measured at different points of the structure during an ambient vibration test. The correlation between the numerical and experimental modal parameters after the updating process is adequate

E. Torroja's bridge: Tailored experimental setup for SHM of a historical bridge with a reduced number of sensors

This paper presents the design of an experimental setup with a reduced number of sensors for the structural health monitoring of the historical bridge of Posadas (Córdoba, Spain), designed by the eminent engineer Eduardo Torroja in 1957. The motivation of this study stems from the need for safeguarding this piece of cultural heritage. In particular, the singularity of this historical construction, a steel–concrete composite typology consisting of a concrete deck slab and inverted bowstring steel trusses, makes continuous in-service condition assessment essential for its maintenance. Nevertheless, the application of existing continuous monitoring systems to such large-scale structures entails considerable investments as well as complex signal processing algorithms. Whereby the optimization of the number of sensors and their location is of the utmost interest. In this line, this work presents the application of an Optimal Sensor Placement (OSP) methodology to tailor an experimental setup for a cost-efficient continuous monitoring of the E. Torroja’s bridge. Due to the fact that most OSP approaches are model-based, it is essential to count on a sufficiently accurate numerical model. To this aim, an extensive vibration-based operational modal analysis is first conducted with a large number of accelerometers. Afterward, a three-dimensional finite element model of the E. Torroja’s bridge is updated on the basis of the experimentally identified dynamic properties with a genetic optimization algorithm. Finally, an optimal sensor placement methodology is utilized to design an experimental setup with a limited number of sensors for long-term monitoring purposes. The results demonstrate that few sensors are needed to accurately assess the main resonant frequencies and mode shapes.Versión aceptad

Model updating of a historical building by using ambient vibration tests : Chapel of the Würzburg Residence (Germany)

Congreso celebrado en la Escuela de Arquitectura de la Universidad de Sevilla desde el 24 hasta el 26 de junio de 2015.One of the first difficulties that can be detected in finite element models of historical buildings is the high level of uncertainty associated with many factors affecting the actual behaviour of the structure. Often the inaccuracies in this model will arise because of poorly known boundary conditions, unknown material properties or simplification in the modelling. These uncertainties in the modelling process cause the predicted dynamics of a structure to be different from the measured dynamics of the real structure. If accurate measured data is available, then this data could be used to improve the numerical model in general and some uncertain parameters of the model in particular. Thus, among the Operational Modal Analysis method, the finite element model updating from the dynamic structural parameters identified experimentally, allows the adjustment of these models in order to obtain a more accurate estimation of behaviour of the structure

Finite element model updating from the results of the operational modal analysis. Implementation on the Chapel of the Würzburg Residence (Germany)

Una de las primeras dificultades que se plantean a la hora de analizar un edificio histórico es el gran nivel de incertidumbre asociado a multitud de factores condicionantes del comportamiento de la estructura. Pequeñas modificaciones de las propiedades mecánicas estimadas de los materiales constituyentes, los fenómenos de interacción suelo-estructura o incluso el propio proceso constructivo pueden ser causantes de grandes variaciones entre los resultados obtenidos a partir de un análisis numérico y los estimados de forma experimental. Dentro de las técnicas no destructivas, la actualización de modelos de elementos finitos, a partir de los parámetros dinámicos de la estructura identificados experimentalmente, permite una calibración de dichos modelos al objeto de obtener una estimación más precisa del comportamiento de la estructura. En el presente artículo se describe la aplicación de dicha técnica sobre la capilla del Palacio de Würzburg (Alemania), una de las construcciones más importantes del Barroco Centroeuropeo.One of the first difficulties that can be detected in a historical building structural analysis is the high level of uncertainty associated with many factors affecting the behaviour of the structure. Slight modifications of the mechanical properties of the structural materials, the soil-structure interaction or even the building construction process may be the cause of high changes between the results obtained from a numerical analysis and others estimated experimentally. Among the non-destructive techniques, the finite element model updating from the dynamic structural parameters identified experimentally, allows the adjustment of these models in order to obtain a more accurate estimation of behaviour of the structure. In the present paper, the implementation of this technique on the Chapel of the Würzburg Residence (Germany), one of the most important churches of the Central European Baroque, is described

Integration of disciplines in the structural analysis of historical constructions. The Monastery of San Jer´onimo de Buenavista (Seville-Spain)

The assessment of the structural health of historical constructions is needed to carry out correct diagnoses and implement proper decision making strategies in the preservation built cultural heritage. In order to provide information about the state of different structural elements of the Monastery of San Jer´onimo de Buenavista, in Seville (Spain), an extensive experimental campaign, mainly comprising non-destructive and in situ tests, was carried out. The present paper describes a structural analysis based on numerical models. The main goal of this research is to assess the improvement in the results of numerical model by integrating information from techniques which come from fields of knowledge that complement architecture and engineering, such as geophysics, archaeology or topography. A non-linear analysis under gravitational loads until reaching the ultimate load of the structure is developed. A model that is truer to the reality at a global level is obtained, highlighting significant improvements in the results at a local level

Evaluación de una intervención mediante análisis modal operacional. Capilla de la jura en la iglesia de San Juan de Los Caballeros (Jerez de la Frontera, Cádiz)

La capilla de la Jura fue construida a finales del siglo XVI. Se trata de una construcción de marcado estilo gótico, situada en el lado del Evangelio del gran ábside de la iglesia de San Juan de los Caballeros. El recinto posee planta cuadrada, se levanta en cantería y se cubre con una bóveda estrellada cuyos plementos son de ladrillo. Los nervios descansan sobre columnillas suspendidas con capiteles fitomorfos. El perfil de los nervios consiste en varias molduras que terminan en un baquetón de remate plano. En el presente se pretende analizar una reciente intervención estructural que se ha llevado a cabo sobre la cubierta de la capilla de la Jura mediante un análisis basado en pruebas de vibración ambiental. Debido a la dificultad que supone evaluar correctamente los efectos de la intervención sobre este tipo de estructuras, fue necesaria la realización de diversas pruebas de vibración ambiental para poder estimar los cambios de rigideces dados en la capilla. Los datos obtenidos en las diferentes campañas experimentales fueron analizados mediante la técnica de análisis modal operacional (OMA). Dicho método es una técnica utilizada en el análisis estructural de edificaciones históricas atendiendo a varios aspectos, tales como la actualización de modelos numéricos o la monitorización continua en la valoración de la salud del edificio. De esta forma se identificaron 6 modos de vibración con sus correspondientes formas modales en un rango de frecuencia de 0 a 12 hercios. Estos datos fueron comparados y evaluados entre sí para concluir el efecto que la intervención estructural ha tenido sobre la estructura de la capilla

Caracterización dinámica de edificaciones históricas mediante análisis modal operacional. Aplicación sobre la iglesia de Santiago (Jerez de la Frontera)

Las pruebas de vibración ambiental están consolidadas desde décadas en el mundo ingenieril como uno de los principales métodos experimentales para evaluar el comportamiento dinámico de estructuras a gran escala. La excitación artificial de grandes estructuras conlleva una gran complejidad, lo que hace recurrir al análisis modal operacional (OMA) para la identificación modal de las propiedades dinámicas de la estructura. En los últimos años podemos encontrar numerosas aplicaciones de pruebas de vibración ambiental sobre construcciones históricas de fábrica. Son numerosos los factores favorables que han hecho de esta técnica una herramienta realmente útil para identificar las propiedades dinámicas de una edificación histórica. Entre ellos, el bajo coste económico que supone hacer este tipo de pruebas, la no interrupción del normal funcionamiento del edificio mientras las pruebas son realizadas y, especialmente, el hecho de ser una técnica no destructiva, factor fundamental en este tipo de construcciones. El presente estudio investiga las características dinámicas de la Iglesia de Santiago (Jerez de la Frontera), edificio de carácter gótico construido a finales del siglo XV. Tras realizar las diferentes pruebas de vibración ambiental y utilizar dos técnicas de identificación modal, seis modos de vibración fueron obtenidos en un rango de frecuencia de 0 a 10 hercios. La bondad de los resultados obtenidos fue estudiada comparando las diferencias entre las frecuencias naturales y los desplazamientos modales obtenidos. Se concluye la idoneidad del método presentado, como técnica no destructiva, para caracterizar dinámicamente edificaciones históricas de fábrica

Operational modal analysis: a tool for assessing changes on structural health state of historical constructions after consolidation and reinforcement Works-Jura Chapel (Jerez de la Frontera, Spain)

Today’s society is sensitive to the architectural heritage conservation. This implies to perform works to maintain these buildings and to assure their structural security. In the last years, the structural analysis of historical masonry constructions has experienced a great progress, thanks to the use of techniques based on the study of the dynamic properties of building structures. In this context, changes on the structural health state of a building are one of the elements that can be assessed considering changes on their dynamic properties. This is useful to evaluate the effectiveness of structural interventions on this kind of buildings by analysing these properties before and after it. This paper focuses on the Jura Chapel, in Jerez de la Frontera (Spain). This chapel is part of San Juan de los Caballeros Church and is dated from the 15th century. In 2015 and after the identification of some structural damages in the chapel vault, an intervention was initiated to improve its structural behaviour and to recover its original appearance. The present work reports the evaluation of the effects that this intervention has on the structural health state of the building, using nondestructive techniques based on ambient vibration tests (AVT) and Operational Modal Analysis (OMA). The AVT were performed for both prerestored and restored states and under environmental loads. A discussion about the validity of doing AVT from extrados when a vault presents disconnection between ribs and web is included in the paper. As a result, the first five natural frequency values have increased while the corresponding mode shapes have not changed significantly. This proves a structural health improvement caused by the repairing process without changing the original behaviour of the structure. This work shows OMA capabilities for evaluating the effectiveness of intervention works on the health state of a historical masonry structure