Structural health monitoring of South America´s first 6-story experimental light-frame timber-building by using a low-cost raspberryshake seismic instrumentation

Abstract

El presente trabajo de título describe la implementación y validación de un sistema de instrumentación sísmica de bajo costo (SISBC) para el monitoreo de la salud estructural del primer edificio experimental de madera de estructura ligera de 6 pisos de América del Sur (Torre Peñuelas). Además, el acoplamiento del SISBC con un sistema de medición de temperatura y humedad relativa ha permitido investigar las variaciones de las propiedades dinámicas del edificio inducidas por el ambiente. El SISBC se ha realizado utilizando seis acelerógrafos RaspberryShake® R4SD (R4SD), que se interconectaron mediante una red local controlada por una Raspberry Pi3 (RPi3) auxiliar. La función del RPi3 consiste en: (i) actuar como un servidor NTP que permite la sincronización de los instrumentos sísmicos; (ii) estar conectado a Internet para proporcionar control remoto y comunicación; (iii) estimar las propiedades dinámicas del edificio utilizando el método FDD a partir de pruebas de vibración ambiental por hora basadas en los datos de velocidad obtenidos de los geófonos verticales incluidos en los instrumentos R4SD. El SISBC se alimenta eléctricamente mediante una batería y un cargador de batería para garantizar la operatividad durante los cortes de energía. Las frecuencias naturales y las formas modales del edificio se identificaron a partir de análisis modales operativos de cinco pruebas de vibración ambiental integradas, medidas por un sistema de instrumentación sísmica convencional (Episensors ES-U2), que muestran propiedades dinámicas consistentes. Además, el SISBC también fue validado contra pruebas de mesa vibratoria, observándose una buena concordancia para frecuencias de señal menores a 25-30 Hz en comparación con los sistemas de medición convencionales, así como midiendo la respuesta durante un sismo de baja intensidad Mw=4.6. Una vez que se validó el SISBC, se agregó un sensor BME280 para monitorear continuamente la temperatura y la humedad relativa dentro del edificio, lo que permitió implementar un sistema de monitoreo de salud estructural para rastrear las variaciones inducidas por el ambiente de las tres frecuencias naturales principales. Se determinó una alta sensibilidad de las frecuencias naturales del edificio debido a las variaciones ambientales, exhibiendo variaciones diarias pico a pico de 9.5-10.9% y variaciones promedio de 25.2-29% durante un período de siete meses, evidenciando así que las estructuras de madera podrían ser más susceptibles a las variaciones de temperatura y humedad relativa que otros sistemas estructurales. Inesperadamente, se descubrió que la estructura de madera era más rígida en condiciones de humedad, lo que puede atribuirse al endurecimiento de los ensamblajes de madera debido a la hinchazón de la madera. Se construyó un modelo de espacio-estado de 24 horas para calcular con precisión las frecuencias naturales estimadas en función de la temperatura y la humedad relativa registradas, lo que demuestra que este procedimiento podría usarse para desagregar de manera efectiva las variaciones inducidas por el ambiente de cambios generados por daños u otras fuentes desconocidas.