Detección y localización de daño estructural en construcciones históricas de tierra

Abstract

El monitoreo de salud estructural (SHM, por sus siglas en inglés) está adquiriendo una importancia cada vez mayor en el campo de la ingeniería estructural, ya que permite realizar una evaluación continua del desempeño estructural de una construcción. Esto es posible a través de la identificación de daño en tiempo real cuando se monitorean parámetros sensibles, como las propiedades dinámicas, ya que están íntimamente relacionadas con las propiedades físicas de la estructura. Este conocimiento permite una toma de decisiones más rápida y efectiva en cuanto a mantenimiento e intervención de construcciones existentes, ayudando a su preservación. Además, cobra vital importancia en el caso de la conservación de construcciones históricas al ser un método no destructivo y poco invasivo que brinda un conocimiento esencial para la evaluación de las mismas. Debido a que el Perú cuenta con un amplio número de construcciones de adobe, que representan su patrimonio cultural e histórico y tienen una gran importancia económica por el turismo que generan, necesitan técnicas modernas e innovadoras para su mantenimiento y conservación. La presente investigación desarrollará un conjunto de metodologías capaces de detectar y localizar daño en estructuras de tierra mediante el monitoreo dinámico de vibraciones ambientales. Esto se realizará mediante la instrumentación de las construcciones usando acelerómetros de alta sensibilidad que permitan extraer de manera continua las propiedades dinámicas a partir de vibraciones sin necesidad de fuentes controladas de excitación. Primero, las metodologías serán validadas utilizando el emblemático caso de estudio del puente Z24, donde se tienen resultados de la identificación de daño. Luego, se aplicarán en una estructura simple consistente en un péndulo invertido de acero, ensayado y dañado progresivamente para comprobar la efectividad y realizar los ajustes necesarios. A continuación, un muro de adobe será ensayado de la misma manera comprobando la aplicabilidad de las metodologías y los problemas que surgen al ser implementadas en una estructura tradicional de adobe. Finalmente, se estudiarán las iglesias de San Pedro Apóstol de Andahuaylillas y San Juan Bautista de Huaro de gran importancia cultural para el país, las cuales han sido instrumentadas con acelerómetros y presentan un sistema de monitoreo a largo plazo. Se estudiará el cambio de sus propiedades dinámicas, y la ocurrencia de un movimiento sísmico cerca de las iglesias durante el tiempo de monitoreo. La conservación de construcciones de adobe presenta actualmente un reto para la ingeniería estructural debido a la falta de códigos de construcción en la época en que se construyeron, el poco conocimiento de los procesos constructivos, la alta variabilidad de sus propiedades mecánicas, y el efecto de fenómenos naturales y ambientales. Es importante notar, además, que las variaciones ambientales de temperatura y humedad afectan considerablemente la respuesta dinámica en estructuras de adobe, constituyendo un importante problema la separación de variaciones causadas por estas y las causadas por daño. El desarrollo de metodologías que permitan superar estos problemas se traducirá en herramientas que contribuyan a la identificación oportuna de daño en construcciones históricas, permitiendo un mantenimiento temprano y ayudando a la conservación de las mismas.

Structural health monitoring (SHM) is becoming increasingly important in the field of structural engineering, since it allows a continuous assessment of the structural performance of a construction. This is possible through the identification of damage in real time when sensitive parameters, such as dynamic properties, are monitored, since they are intimately related to the physical properties of the structure. This knowledge allows for a faster and more effective decision making in terms of maintenance and intervention of existing buildings, helping to preserve them. In addition, it is vitally important in the case of the preservation of historical buildings as it is a non-destructive and non-invasive method that provides essential knowledge for their assessment. Since Peru has a large number of adobe buildings, which represent its cultural and historical heritage and are of great economic importance for the tourism they generate, they need modern and innovative techniques for their maintenance and preservation. The present investigation develops a set of methodologies capable of detecting and locating damage in earthen structures through the dynamic monitoring of environmental vibrations. This is done by instrumenting the constructions using high sensitivity accelerometers that allow to continuously extract the dynamic properties from vibrations without the need of controlled sources of excitation. First, the methodologies will be validated using the emblematic study case of the Z24 bridge, where results of the damage identification are available. Then, they will be applied in a simple structure consisting of an inverted steel pendulum, tested and progressively damaged to check their effectiveness and make the necessary adjustments. Next, an adobe wall will be tested in the same way, checking the applicability of the methodologies and the problems that arise when implemented in a traditional adobe structure. Finally, the churches of San Pedro Apóstol de Andahuaylillas and San Juan Bautista de Huaro, of great cultural importance for the country, will be studied. They have been instrumented with accelerometers and have a long-term monitoring system. The change of its dynamic properties and the occurrence of a seismic movement near the churches during the monitoring time will be studied. The conservation of adobe buildings currently presents a challenge for structural engineering due to the lack of building codes at the time they were built, the little knowledge of the construction processes, the high variability of their mechanical properties, and the effect of natural and environmental phenomena. It is also important to note that the environmental variations of temperature and humidity significantly affect the dynamic response in adobe structures, being an important problem the separation of variations caused by these and those caused by damage. The development of methodologies to overcome these problems will result in tools that contribute to the timely identification of damage in historic buildings, allowing early maintenance and helping to preserve them.