MEDICIÓN ESTRUCTURAL EN TIEMPO REAL (RTSM) PARA DISPOSITIVOS DE CONTROL.

MEMORIA DESCRIPTIVA

La siguiente invención presenta una solución para medir desplazamientos relativos de una estructura, con el objetivo de usar la señal medida como una señal de retroalimentación en tiempo real para el control estructural de la vibración activa y semiactiva. Dichos controles reducen el movimiento estructural causado por cualquier fuente de vibración natural o artificial. Los métodos convencionales de medición del desplazamiento relativo, a menudo no son capaces de medir en forma precisa el desplazamiento en tiempo real. La demora en la señal medida, a menudo tiene un efecto negativo en el aparato de control de retroalimentación.

La invención consiste en un elemento axial pretensionado (1), instalado entre dos puntos diferentes de la estructura (2) usando un conector fijo (5) y uno flexible (6). A medida que la estructura (2) vibra en respuesta a una "fuente" externa, causa un desplazamiento relativo entre dos puntos de conexión del elemento axial, el cual puede ser medido en base a la rotación φ del conector flexible (5) del elemento axial. Adicionalmente, en puntos intermedios del elemento axial (1), el desplazamiento relativo entre la estructura (2) y el elemento axial (1 ) se puede medir mediante sensores (3). Con estas mediciones, se puede obtener en tiempo real la forma de desplazamiento discretizada de toda la estructura donde el elemento axial (1) está instalado. En el caso que un elemento axial (4) esté instalado, donde el modo más alto tiene un paso por el punto cero, el desplazamiento modal de este modo más alto no será medido. Asumiendo que el desplazamiento completo de la estructura está asociado a los dos primeros modos, a menudo una buena aproximación en la práctica para desplazamientos inducidos de temblores, el desplazamiento modal de estos dos modos puede ser medido en forma independiente, en tiempo real. Un control modal mediante aparatos activos o semiactivos puede elevar el comportamiento estructural en algunos casos.

Para mantener lo más bajo posible el nivel de perturbación en la señal medida introducida mediante vibraciones naturales del elemento axial (1), es importante que las frecuencias fundamentales de los elementos axiales (1 ) sean significativamente más altas que las frecuencias naturales de la estructura (2). Para lograr esta meta, es necesario usar materiales del elemento axial, los cuales tienen una pequeña densidad y pueden ser altamente pretensados, como la fibra de carbono.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

Esta invención corresponde al campo del monitoreo en tiempo real del desplazamiento estructural. La invención se desarrolló con el objetivo de proporcionar información del desplazamiento relativo, que pueda ser usado para el control en tiempo real de los aparatos de control de la vibración estructural activos o semiactivos, causados por eventos inducidos naturales o artificiales. Dichas vibraciones pueden ser inducidas por temblores, viento, maquinara, personas, vehículos, hechas por el hombre u otros. También son posibles otras aplicaciones, más que el control de retroalimentación de aparatos activos o semiactivos, como el monitoreo de la salud estructural y otros.

En la presente invención, se instalan uno o más elementos axiales entre dos puntos diferentes de una estructura. A medida que la estructura vibra, se puede medir la rotación relativacp entre el elemento axial y la estructura, conduciendo al desplazamiento relativo entre los dos puntos de la estructura. Con esta información, la forma de desplazamiento de toda la estructura, se obtiene en tiempo real en los puntos discretos donde el elemento axial está instalado. ESTADO DEL ARTE

Los aparatos de control activos y semiactivos se usan más frecuentemente para reducir vibraciones estructurales inducidas por temblores, viento, máquinas, personas o en vehículos. Para controlar la estructura de manera eficiente, estos aparatos necesitan información acerca del desplazamiento de la estructura en tiempo real. Mientras más precisa la medición del movimiento estructural, mejor es el comportamiento de estos aparatos de control activos y semiactivos. En efecto, a menudo sólo una pequeña demora en el tiempo (unas pocas centésimas de segundo o menos, dependiendo del tipo de estructura), de la señal medida son aceptables para la señal de control de la retroalimentación. Este hecho motiva el desarrollo de este nuevo sistema de medición del desplazamiento estructural en tiempo real, el cual puede ser utilizado también para otras aplicaciones de vibración.

Muchos aparatos de control estructural activos y semiactivos utilizan desplazamientos relativos de la estructura, como señal de retroalimentación para el control estructural. Tradicionalmente, la práctica de ingeniería común, utilizaría acelerómetros en los dos puntos para medir desplazamientos estructurales. Por lo tanto, la señal de aceleración necesita estar integrada dos veces para obtener el desplazamiento en tiempo real. Para integrar la señal, el registro de aceleración tiene que ser filtrado pasa banda en tiempo real. Este proceso de filtrado en tiempo real conduce a una demora en el tiempo de la señal, lo cual a menudo no se puede aceptar y prohibe su uso con un aparato activo o semiactivo.

Alternativamente, el desplazamiento estructural puede ser medido mediante el sistema de posicionamiento global diferencial DGPS, como se describe en [1], [8] y [9], el cual es el más usado en relación al monitoreo de salud. De ese modo, se debe instalar una antena específica fuera del edificio, donde se necesita la posición del edificio para ser medida. Teniendo al menos 4 vistas satelitales, se puede medir la posición de la estructura y por lo tanto el desplazamiento de la estructura. La resolución de la medición es suficientemente precisa, pero la demora de la señal en tiempo, la hace inutilizable para el control de los aparatos activos o semiactivos. Debido a que el monitoreo de salud no requiere de tiempo real verdadero, este tipo de medición estructural es útil.

Otra opción para medir desplazamientos estructurales en tiempo real, es utilizar sensores ópticos. Existen diferentes tipos de sensores ópticos, los cuales encuentran principalmente su aplicación en el área del monitoreo de salud estructural. Un detector de posición sensible instalado en la parte superior del piso mide la posición de una luz producida por un diodo emisor de luz (LED), instalado en la parte inferior del piso. En [3], [5], [6] y [7], el desplazamiento relativo de los dos puntos de la estructura es detectado por una cámara. Mediante el procesamiento de la señal de imagen, la foto tomada por la cámara se transforma en desplazamiento. Se utiliza un interferómetro de microondas [4] con capacidad de imagen para mediciones remotas, para medir el desplazamiento del edificio. En todos estos casos, el desplazamiento relativo se puede medir en tiempo real entre dos puntos de una estructura, las cuales están relativamente cerca una de la otra. En la publicación antes mencionada para la implementación del edificio, la medición relativa abarca como máximo 3 pisos. Para medir el desplazamiento relativo entre la base y el techo de edificios medianos a altos, se tendrían que instalar varios sensores ópticos en cascada. Además, en los casos donde el sensor óptico se instala en un punto de la estructura, el cual experimenta rotación estructural, la señal de desplazamiento se verá afectada por esta rotación y para obtener la señal objetivo de desplazamiento relativo, también se tiene que medir la rotación de la estructura en tiempo real, lo cual no es una tarea fácil. Adicionalmente, dicha solución para medir el desplazamiento relativo mediante sensores ópticos entre la base y el techo de un edificio mediano a alto, necesitaría más espacio que la invención propuesta en el presente documento, para ser instalada.

En la Patente US 201 1/0029276A1 [10], se usan diferentes sensores como inclinómetros, giroscopios y acelerómetros, para determinar la distorsión en tiempo real de una estructura fija o en movimiento, tales como edificios, aeronaves o barcos. De ese modo, se mide la distorsión de puntos específicos de una estructura, pero no el desplazamiento relativo entre dos puntos diferentes de una estructura, lo cual es el propósito de esta patente.

En la Patente 101975568A [1 1 ], se muestra un método de medición en tiempo real usando inclinómetros. De ese modo, se mide la inclinación de diferentes puntos, pero no el desplazamiento relativo entre dos puntos diferentes de una estructura, lo cual es el objetivo de esta patente.

En la Patente 200920033350.2 [12], se presenta un sistema de medición de estructura de edificios en tiempo real, usando una pluralidad de inclinómetros. De ese modo, se mide la inclinación de puntos específicos de una estructura, pero no el desplazamiento relativo entre dos puntos diferentes de una estructura, lo cual es el objetivo de esta patente.

En la Patente JP 2001040906 (A) [13], se propone un sistema de control en tiempo real de un aparato activo de disipación del movimiento de temblores. De ese modo, la patente se enfoca en el procesamiento de datos en tiempo real para cualquier tipo de sensores, pero no para medir desplazamientos relativos como esta invención.

La invención presentada en esta patente, proporciona una solución a los problemas mencionados anteriormente, es decir, cómo se puede medir en tiempo real el desplazamiento relativo de una estructura en forma precisa y económica, con el objetivo de controlar un aparato activo o semiactivo con la señal medida. Una ventaja de esta invención es que el sistema necesita relativamente poco espacio para ser instalado. Por ejemplo, en el caso de un edificio, el sistema puede ser instalado dentro del núcleo del ascensor.

1. Víctor H.S. KHOO, Yam Khoon TOR, Gerry ONG. Monitoring of High Rise Building using Real-Time Differential GPS, Congreso FIG 2010 Sydney, Australia.

2. Iwao Matsuya, Ryota Tomishi, Maya Sato et. al. Development of Lateral Displacement Sensor for Real-Time Detection of Structural Damage, IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering 2011; 6: 266-272 3. Jong-Woong Park, Jong-JaeLee, Hyung-JoJung, HyunMyung. Vision-based displacement measurement method for high-risebuilding structures using partitioning approach. NDT&E International 2010; 43 : 642-647

4. Massimiliano Pieraccini, Guido Luzi, Daniele. Mecatti, et. al. A microwave interferometer with imaging capabilily for remote measurements of building displacements. Simposio

Internacional de Testeo No Destructivo en Ingeniería Civil, 2003.

5. J. J. Lee & M. Shinozuka. Real-Time Displacement Measurement of a Flexible Bridge Using Digital Image Processing Techniques. Mecánica Experimental, 2006; 46: 105-1 14.

6. Jong Jae Lee, Soojin Cho, Masanobu Shinozuka, et. al. Evaluation of Bridge Load Carrying Capacity Based on Dynamic Displacement Measurement Using Real-time Image

Processing Techniques. Estructuras de Acero, 2006; 6: 377-385

7. Haemin Jeon, Yousuk Bang, Hyun Myung. A paired visual servoing system for 6-DOF displacement measurement of structures, Smart Materials Structures 201 1 ; 20: 045019 (16pp)

8. T. Kijewski-Correa, A. Kareem, M. Kochly. Experimental Verification and Full-Scale Deployment of Global Positioning Systems to Monitor the Dynamic Response of Tall Buildings.

Revista de Ingeniería Estructural (ASCE) 2006; 132:8 1242- 1253

9. Tracy ijewski Correa, Michael Kochly, Monitoring the wind-induced response of tall buildings: GPS performance and the issue of multipath effects. Revista de Ingeniería del Viento y Aerodinámica Industrial, 2007; 95 : 1 176-1 198 1 0. Miguel Luis Cabral Martin, System and procedure for the real-time monitoring of fixed or mobile rigid structures such as building structures, aircraft, ships and/or the like, Pub. No.: US 201 1 /0029276 Al , 201 1.

1 1 . Tong Gang, Wu Zhiyong, Wang Tao, Cui Ming, High-precision real-time measuring system for platform inclination and application method thereof Pub. No.: 101975568 A, 201 1 12. Large building structure state real-time monitoring system, Pub. No.: 200920033350.2, 2010

13. Kurata Shigeto, Takahashi Genichi, Matsunaga Yoshinori, et. al., Real-time control system or active seismic control structure, Pub. No.: JP2001040906 (A), 2010

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

A continuación, la invención será descrita en referencia a las figuras en el Apéndice, donde: La Figura 1 presenta esquemáticamente una estructura modelo (2), en la cual dos elementos axiales ( 1 ) y (4) con diferentes longitudes, son instalados para medir el desplazamiento relativo de la estructura (2), en tiempo real.

La Figura 2 presenta las conexiones fijas y flexibles del elemento axial ( 1 ) y (4) a la estructura (2). En el caso presentado, el elemento axial se materializa como una lámina de fibra de carbono. Izquierda; vista frontal y derecha: corte seccionado de la conexión.

1 elemento axial / 2 estructura / 3 sensor de desplazamiento relativo entre el elemento axial y la estructura / 4 segundo elemento axial / 5 conexión fija / 6 conexiones flexibles / 7 barras roscadas / 8 placas de acero / 9 tornillos / 10 pernos / l l sensor láser

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a una solución para medir los desplazamientos relativos de las estructuras en tiempo real y utiliza la señal, por ejemplo, para controlar un aparato de control estructural activo o semiactivo. También son posibles aplicaciones en otras áreas, como en el monitoreo de salud de la vibración estructural. La invención consiste en un elemento axial ( 1 ) (Figura 1 ), el cual es instalado entre dos puntos diferentes de una estructura (2). Como ejemplo, la Figura 1 presenta esquemáticamente un marco del edificio. La invención también se puede usar en cualquier estructura (puentes, puertos, bodegas, líneas de transmisión, etc.). Si la estructura (2) comienza a moverse debido a un temblor, viento, rotación de maquinaria, personas, vehículos u cualquier otra fuente, se puede medir la rotación c del elemento axial (1 ). Conociendo la rotación del elemento axial (1 ), el desplazamiento relativo del elemento axial (1) con respecto a la estructura no deformada (2) en diferentes alturas h¡, se puede obtener mediante: Con los sensores (3), los cuales miden el desplazamiento relativo s¡ entre el elemento axial (1 ) y la estructura (2) a diferentes alturas h¡, el desplazamiento relativo de la estructura (2) con respecto a la configuración estructural no deformada, se puede obtener mediante:

u ₀ y s ₀ son igual a cero porque no existe desplazamiento relativo entre el elemento axial (1 ) y la estructura (2), donde el elemento axial está conectado a la estructura (2).

Con el elemento axial instalado (1 ), es posible obtener la forma discretizada completa del desplazamiento estructural en tiempo real. Si sólo el desplazamiento es de interés, los sensores de piso (3) no son necesarios.

Al introducir un segundo elemento axial (4) con una longitud diferente en la misma estructura (2), es posible determinar la contribución del modo superior en el desplazamiento total. Esto puede ser útil si se utilizan desplazamientos modales como señal de retroalimentación para controlar aparatos activos o semiactivos. Como ejemplo, supongamos que se puede dejar de lado la contribución al desplazamiento del tercer modo y del modo superior de la estructura (2). Luego el desplazamiento a tiempo real correspondiente al primer modo estructural, se puede medir si un elemento axial (4) se instala donde la estructura (2) tiene un nodo para el segundo modo de vibración. En aplicaciones prácticas, el supuesto que el tercer modo y el modo superior no tienen mucha participación en el desplazamiento estructural total, en algunos casos es apropiado. Con el desplazamiento del primer modo medido ni o en el punto donde el segundo modo tiene su paso por el punto cero, la forma de desplazamiento discretizado del primer modo, se puede obtener en tiempo real:

η = ν, ·ηι, ₀

vi representa un vector normalizado, el cual describe el primer modo de la estructura (2). Este vector se puede estimar, por ejemplo, mediante simulaciones numéricas de la estructura (2) o mediante procedimientos de identificación estructural paramétricas o no paramétricas. La forma de desplazamiento en tiempo real discretizado del segundo modo, puede ser calculada mediante: T¾= u -r|i

El elemento axial (1 , 4) está pretensado, de manera que las frecuencias naturales del elemento axial son significativamente mayores que las frecuencias naturales de la estructura (2). Esto evita que las vibraciones naturales del elemento axial (1 , 4) introduzcan perturbaciones inaceptables de la señal de rotación medidaq) entre el elemento axial (1 , 4) y la estructura (2). Las altas frecuencias del elemento axial (1 , 4) se pueden lograr utilizando un material para el elemento axial (1 , 4), que tiene una baja densidad de masa y se puede pretensar a cargas axiales elevadas. Como un ejemplo del caso mostrado en la Figura 2, el elemento axial (1 , 4) se materializa mediante una fibra de carbono laminar, la cual cumple muy bien con estos requerimientos.

En la Figura 2, se muestra una posible configuración para la conexión fija (5) y para la conexión flexible (6) entre el elemento axial (1 , 4) y la estructura (2). La conexión flexible (6) permite pretensar el elemento axial (1 , 4) mediante dos barras roscadas (7). Para el caso de la lámina de fibra de carbono como material del elemento axial (según se muestra en la Figura 2), la fibra de carbono se puede fijar manteniendo la lámina entre dos placas de acero (8), las cuales están pretensadas juntas mediante varios tornillos (9). Para un material de elemento axial diferente (1 , 4), se pueden necesitar otras conexiones (5) y (6) a la estructura (2) y otras fijaciones del elemento axial. El perno (10) en la Figura 2 permite la rotación del plano (articulación) entre las conexiones (5) y (6), y la fijación de las placas de acero (8) del elemento axial (1 , 4). Esta rotacióncp entre el elemento axial (1 , 4) y la estructura (2) se puede medir con diferentes tipos de sensores, tales como potenciómetros, inclinómetros, acelerómetros utilizados como inclinómetros, girocompases, giroscopios o sensores de desplazamiento con el sensor láser (1 1), mostrado en la Figura 2.

En el caso de usar inclinómetros o acelerómetros, dependiendo de la entrada de excitación esperada de la estructura (2) y la posición donde se midecp, es necesario considerar que estos sensores también miden movimientos absolutos del edificio. Debido a esto, se deben instalar sensores adicionales directamente en la estructura (2), de manera que la rotación relativa entre el elemento axial (1 , 4) y la estructura (2) se pueda determinar mediante la sustracción de las dos señales. En el caso de usar un sensor de desplazamiento como el sensor láser (1 1) mostrado en la Figura 2, el sensor mide el desplazamiento relativo entre la conexión (5) o (6) y la placa de acero (8). Este desplazamiento medido puede conducir al desplazamiento relativo objetivo en tiempo real q¡, sin calcular primero la rotacióncpt

Se debe considerar que los puntos de la estructura (2), donde el elemento axial (1 , 4) está conectado, experimentan rotación estructural. A excepción de utilizar un girocompás o un giroscopio para medir la rotación cp, los sensores utilizados miden la rotación relativa entre el elemento axial (1 , 4) y el punto donde este elemento axial (1 , 4) está instalado. En tales casos, la rotación de la estructura (2), donde el elemento axial (1 , 4) está conectado, distorsiona la medida del desplazamiento relativo objetivo. Por lo tanto, es importante medir la rotación relativacpen un punto de la estructura, donde su rotación puede ser dejada de lado. En el caso de un edificio, esto podría ser el subterráneo, según se muestra en la Figura 1.

Sólo por simplicidad, en la Figura 1 las mediciones en tiempo real están sólo en una dirección de la estructura (2). La invención también se puede aplicar para medir desplazamientos de una estructura (2) en tiempo real, con un elemento axial en cada una de las dos direcciones perpendiculares. Con un segundo sensor (1 1), la rotación del elemento axial (1 , 4) en dirección perpendicular se puede medir para sacar el desplazamiento del plano de la estructura mostrado en la Figura 1. En tales casos, es necesario conectar el elemento axial (1, 4) a la estructura (2) con una articulación bidireccional.

Para desplazamientos bidireccionales de una estructura (2), puede ser necesario instalar los sensores (3) en el elemento axial y medir desde el elemento axial (1) hacia la estructura (2) y no a la inversa. En tales casos, se deben utilizar los sensores de desplazamiento sin contacto (por ejemplo, sensores láser). Se debe considerar su peso en el diseño, ya que los sensores (3) instalados en el elemento axial (1 ) disminuirán las frecuencias del elemento axial. Estos últimos siempre deben estar lejos de las frecuencias de la estructura.