filtrado rms emision acustica señales

FILTRADO DE SEALES RUIDOSAS DE

EMISIN ACSTICA MEDIANTE EL ERROR

CUADRTICO MEDIO POR VENTANAS:

ALGORITMO, IMPLEMENTACIN EN

MATLAB Y VALIDACIN EXPERIMENTAL

Proyecto Fin de MsterOrientacin Investigadora

por Francisco Antonio Sagasta Moreno

Director: Dr. Antolino Gallego MolinaDpto. de Fsica Aplicada Universidad de Granada

Granada, Septiembre 2011

Agradecimientos

Quiero manifestar mi ms sincero agradecimiento a todas aquellas personase instituciones que de un modo u otro han hecho posible la realizacin de este Pro-yecto Fin de Mster orientado a la investigacin:

A Antolino Gallego, director de este Proyecto Fin de Mster, que sin su in-cansable dedicacin y minuciosa revisin este trabajo no hubiera sido posible.

A mis compaeros del mster y del grupo SNADS que siempre han demos-trado su ayuda y disponibilidad en los momentos en los que lo necesitaba.

A mis padres y hermanos que con su ayuda, nimo, ejemplo y experienciahan sido para m un punto de apoyo en toda mi trayectoria acadmica.

A mi familia, amigos y en especial a Beatriz, que durante estos aos handemostrado buenas dosis de paciencia para comprender el tiempo y dedicacin quele he otorgado a mi formacin acadmica.

A la Universidad de Granada.

Francisco A. Sagasta Proyecto Fin de Mster 1

ndice general

1. Introduccin. 61.1. Motivacin del problema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2. Marco de la investigacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.4. Objetivos especficos - contribucin particular. . . . . . . . . . . . . . 12

2. Descripcin de la tcnica de Emisin Acstica. 132.1. Introduccin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2. Seales de EA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3. Parmetros de las seales transitorias de EA. . . . . . . . . . . . . . 172.4. Contexto nacional de la aplicacin de EA en hormigones. . . . . . . . 20

2.4.1. Investigacin en Espaa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.4.2. Contexto internacional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.5. EA en hormign. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3. Breve descripcin del experimento. 263.1. Sismo aplicado en el ensayo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.2. Descripcin de la instrumentacin de EA. . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4. Descripcin del filtrado de seales ruidosas. 354.1. Introduccin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2. Constructor de eventos de EA con el programa VisualAE. . . . . . . 374.3. Descripcin del algoritmo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.4. Criterio de filtrado offline de seales de EA. . . . . . . . . . . . . . . 404.5. Algoritmos implementados en Matlab. . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5. Resultados. 575.1. Resultados de la eficacia del filtrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.2. Energa de emisin acstica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.3. N de Hits acumulados y localizacin de emisin acstica. . . . . . . 59

6. Conclusiones. 63

7. Comunicacin a congresos 64

2

ndice de figuras

1.1. Imagen satlite de la NASA. En la imagen izquierda, las inundacionesprovocadas por el tsunami, tomada el 12 de marzo de 2011; en laimagen derecha, la lnea costera de Sendai, tomada el 26 de febrerode 2011. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2. Tsunami arrasando la costa de Japn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1. Proceso de emisin acstica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2. Seal transitoria de EA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3. Seal continua de EA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.4. Parmetros de la seal de EA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.5. Principio de localizacin planar de fuentes de EA. . . . . . . . . . . . 20

3.1. Acelerograma de la componente del terremoto aplicado. . . . . . . . 273.2. Equipo Vallen Systeme AMSY-5 utilizado para registrar la emisin acstica

durante el ensayo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3. Curva de sensibilidad de los sensores VS30-V. . . . . . . . . . . . . . 283.4. Colocacin del sensor en el espcimen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.5. Mtodos de colocacin de los preamplificadores en el espcimen. . . . 293.6. Ubicacin de los sensores en el pilar P3 del espcimen. . . . . . . . . 303.7. Sensor S13 (canal 11) guarda colocado cerca de la zapata, a 5 cm de

la unin zapata pilar (fuente ruidosa previsible).31

3.8. Ubicacin de los sensores en el nudo de unin viga-pilar del pilar P3. 323.9. Preamplificadores AEP4, usados durante el ensayo. . . . . . . . . . . 33

4.1. Esquema de trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.2. Localizacin de los sensores en el pilar P3. . . . . . . . . . . . . . . . 394.3. Visualizacin de las ventanas creadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.4. Esquema del criterio de filtrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.5. Programa VisualAE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.6. Esquema de funcionamiento de los programas en "Matlab". . . . . . . 464.7. Programa inicial P1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.8. Programa P1 con datos de partida y condiciones iniciales. . . . . . . 484.9. Programa P0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3

NDICE DE FIGURAS NDICE DE FIGURAS

4.10. Programa P0. Comprobacin de condiciones antes del filtrado. . . . . 504.11. Programa P2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.12. Programa P2. Diferenciacin y anlisis de los parmetros de las dis-

tintas seales tipo I y tipo II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.13. Programa P3. Anlisis de las seales que pasan el filtro (tipo I). . . . 544.14. Programa P4. Anlisis de las seales que han sido filtradas (tipo II). . 554.15. Programa P5. Anlisis de las todas las seales (tipo I y tipo II). . . . 56

5.1. Seal de ruido no filtrada y considerada como tipo I. . . . . . . . . . 585.2. Representacin de la energa de EA en distribucin y la aceleracin

frente al tiempo durante el ensayo ssmico Calitri-100 por los sensoresVS30, para las seales ya filtradas por el filtro implementado en estePFM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.3. Representacin de la energa de EA acumulada y la aceleracin frenteal tiempo durante el ensayo ssmico Calitri-100 por los sensores VS30,para las seales ya filtradas por el filtro implementado en este PFM. . 59

5.4. Nmero de hits acumulados para cada sensor, en el sismo Calitri 100,en la pilar P3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.5. Representacin de la energa de los distintos eventos localizados de lasseales de EA registradas durante el ensayo ssmico Calitri-100 por lossensores VS30, para las seales ya filtradas por el filtro implementadoen este PFM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.6. Representacin del nmero de eventos respecto de su localizacin delas seales de EA registradas durante el ensayo ssmico Calitri-100por los sensores VS30, para las seales ya filtradas por el filtro imple-mentado en este PFM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.7. Fotografas del estado final de la unin viga-pilar P3. . . . . . . . . . 62


ndice de cuadros

1.1. Terremotos ms destructivos desde el ao 1970, base de datos USGS. 7

3.1. Terremoto de Campano Lucano 1980, datos de la estacin de Calitri. 263.2. Caractersticas de los sensores VS-30V. . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3. Configuracin del material de EA para el pilar P3 durante el ensayo. 34

4.1. Definicin de canales y posiciones para el constructor de eventos y ellocalizador lineal empleado en el pilar P3. . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.2. Representacin de la amplitud [mv] frente al tiempo [s] de sealesclasificadas como tipo I (columna izquierda) y tipo II (columna dere-cha) registradas durante el ensayo ssmico Calitri-100. . . . . . . . . . 43

5

Captulo 1

Introduccin.

1.1. Motivacin del problema.

Los terremotos son uno de los fenmenos naturales con una mayor capacidaddestructiva. A pesar de ser fenmenos espordicos, tiene un gran impacto sobre lapoblacin, las edificaciones y las infraestructuras, tal que ya desde la antigedad seles ha prestado una atencin particular. En este sentido cabe destacar las crnicassobre terremotos presentes en libros antiguos y los primeros estudios sobre el fe-nmeno ssmico realizados por Aristteles, Anaxmenes, Anaxgoras y Demcrito.Entre los logros principales de estos filsofos de la Edad Antigua se matiza que fue-ron capaces de descubrir que el sismo provocaba movimientos en sentido vertical yhorizontal.

La Sismologa como ciencia moderna nace con el terremoto de Lisboa (Por-tugal), del 1 de noviembre de 1755, que provoc un gran impacto en la sociedad dela poca, no slo por el elevado nmero de vctimas mortales (alrededor de 70.000)y las grandes prdidas econmicas, sino tambin por la importancia de la ciudad endicha poca, que hizo que tuviera un especial eco tanto en la comunidad cientficacomo en la opinin pblica. El terremoto caus la destruccin casi completa de laciudad y mucho ms al llegar a la costa del Algarve. El terremoto fue seguido porun tsunami. Fue uno de los terremotos ms mortferos de la historia hasta entonces.Se estim que alcanz la magnitud 9,0 en la escala de Richter.

A pesar de los avances hechos en el campo de la Sismologa, los terremotossiguen siendo hoy un fenmeno tan destructivo como entonces. Ejemplo de ello es elCuadro 1.1 donde se ha hecho una relacin de los sismos ms catastrficos desde elao 1970 junto con el nmero de vctimas mortales producidas. Una ligera visin dedicho cuadro nos lleva a la rpida conclusin del gran impacto que estos fenmenosnaturales son capaces de provocar en la sociedad.

6

Motivacin del problema.

Fecha Lugar N Vctimas ER Fecha Lugar N Vctimas ER

04/01/70 Yunnan, China 10000 7,5 17/01/94 Northridge, CA 60 6,7

31/05/70 Per 66000 7,9 16/01/95 Kobe, Japn 5502 6,9

10/04/72 Sur de Irn 5054 7,1 27/05/95 Islas Sakhalin 1989 7,5

23/12/72 Nicaragua 5000 6,2 10/05/97 Norte de Irn 1560 7,3

10/05/74 China 20000 6,8 30/05/98 Afganistn 4000 6,6

28/12/75 Pakistn 5300 6,2 17/08/98 Nueva Guinea 2183 7,0

04/02/75 China 10000 7,0 25/01/99 Colombia 1185 6,2

06/09/75 Turqua 2300 6,7 17/08/99 Izmit, Turqua 17118 7,6

04/02/76 Guatemala 23000 7,5 20/09/99 Chi-Chi, Taiwn 2400 7,7

06/05/76 Italia 1000 6,5 12/11/99 Duzce, Turqua 894 7,2

27/07/76 China 255000 7,5 13/01/01 El Salvador 844 7,7

16/07/76 Filipinas 8000 7,9 26/01/01 Gujarat, India 20085 7,7

24/11/76 Turqua-Irn 5000 7,3 23/06/01 Costa de Per 75 8,4

04/03/77 Rumana 1500 7,2 25/03/02 Afganistn 1000 6,1

16/09/78 Irn 15000 7,8 21/05/03 Algeria 2266 6,8

10/09/80 Argelia 3500 7,7 26/12/03 Bam, Irn 26200 6,8

23/11/80 Italia 3000 6,5 24/02/04 Marruecos 628 6,4

11/06/81 Sur de Irn 1500 7,3 26/12/04 Indonesia 283106 9,1

13/12/82 Yemen 2800 6,0 20/03/05 Kyushu, Japn 0 6,3

19/09/85(2) Mjico 9500 8,0 28/03/05 Indonesia 1313 8,6

10/10/86 El Salvador 1000 5,5 08/10/05 Pakistn 80361 7,6

06/02/87 Colombia 1000 7,0 26/05/06 Indonesia 5749 6,3

20/08/88 Nepal-India 1450 6,8 15/05/07 Pisco, Per 514 8,0

07/12/88 Spitak, Armenia 25000 6,8 12/09/07 Indonesia 25 8,5

18/10/89 Loma Prieta, CA 63 6,9 06/04/09 LAquila, Italia 227 6,3

20/06/90 Oeste Irn 40000 7,7 30/09/09 Indonesia 1117 7,6

16/07/90 Luzon, Filipinas 1621 7,8 07/11/09 P.Vila, en Vanuat 452 7,9

19/10/91 Norte de India 2000 7,0 12/01/10 Hait 217000 7,0

02/11/92 Nicaragua 116 7,7 27/02/10 Chile 523 8,8

12/12/92 Indonesia 2500 7,5 12/03/11 Fukushima, Japn 18400 9,0

29/09/93 India 9748 6,2

Cuadro 1.1: Terremotos ms destructivos desde el ao 1970, base de datos USGS.

El terremoto ms reciente y devastador ocurri el 12 marzo de 2011 en Japn.El epicentro del terremoto se ubic en el mar, frente a la costa de Honshu (Sendai).El terremoto dur aproximadamente 6 minutos segn expertos. El Servicio Geolgicode Estados Unidos explic que el terremoto ocurri a causa de un desplazamientoen proximidades de la zona entre la placa del Pacfico y la placa Norteamericana.En la latitud en que ocurri, la placa del Pacfico se desplaza en direccin oeste conrespecto a la placa Norteamericana a una velocidad de 83 mm/ao. La placa delPacfico se introduce debajo de Japn y se hunde en direccin oeste debajo de Asia.

Dos das antes, este terremoto haba sido precedido por otro temblor im-portante, pero de menor magnitud. La magnitud de 9,0 en la escala de Richter loconvirti en el terremoto ms potente sufrido en Japn hasta la fecha, as como el



cuarto ms potente del mundo de todos los terremotos medidos hasta la fecha. Ho-ras despus del terremoto lleg a la costa de Honshu un tsunami (vase las Figuras1.1 y 1.2). La NASA, con ayuda de imgenes satelitales, ha podido comprobar queel movimiento telrico pudo haber movido la Isla Japonesa aproximadamente 2,4metros, y alter el eje terrestre en aproximadamente 10 centmetros. La violencia delterremoto, acort la duracin de los das en 1,8 microsegundos, segn los estudiosrealizados por los la NASA.

Figura 1.1: Imagen satlite de la NASA. En la imagen izquierda, las inundacionesprovocadas por el tsunami, tomada el 12 de marzo de 2011; en la imagen derecha,la lnea costera de Sendai, tomada el 26 de febrero de 2011.

Figura 1.2: Tsunami arrasando la costa de Japn.

En un contexto nacional, los sesmos que han ocurrido en Espaa en losltimos 10 aos fueron:

En el ao 1999 un terremoto de magnitud 5,2 en la escala de Richter tienelugar en La Puebla de Mula (Murcia).

El 15 de agosto del 2003 un terremoto de magnitud 5,8 tiene lugar a 1 km dePetrer (Alicante). Fallecieron 2 personas por un corrimiento de tierras en elCid. Las localidades ms afectadas son Petrer y Monvar.

El 12 de febrero de 2007, un terremoto de magnitud 6,1 tiene lugar a 160 kmdel Cabo de San Vicente.



El 12 de agosto de 2007, un sesmo de magnitud 5,1 con epicentro en PedroMuoz, (Ciudad Real) se siente en toda la Pennsula.

El 14 de septiembre de 2008 un terremoto de magnitud 3,5 con epicentro enCrevillente se siente en toda la provincia de Alicante y Murcia.

El 17 de diciembre de 2009, ocurri un sesmo de magnitud 6,3 con epicentroal suroeste del Cabo de San Vicente, a una profundidad de 50 km. Sentidoampliamente en el suroeste de la pennsula.

El 11 de abril de 2010, un sesmo de magnitud 6,3 golpe el sur de Espaa,a unos 25 km al sureste de la ciudad andaluza de Granada, se produjo a unaprofundidad de 616,7 kilmetros.

El 21 de junio de 2010, un sesmo de magnitud 3,1 golpe al noroeste de Cdiz.

El 5 de julio de 2010, un sesmo de magnitud 2,9 con epicentro en el mar deAlborn se deja sentir en la ciudad de Almera.

El 22 de marzo de 2011, un terremoto de magnitud 4,8 se hace sentir en todaslas provincias cercanas a la de Alicante. Tiene su epicentro e la sierra delCid, en la localidad de Petrer. sta es una de las ciudades ms castigadas porterremotos de la historia de Espaa. Ha sufrido ms de 721 terremotos de msde 3 grados en la escala Ritcher en los ltimos 30 aos.

El 8 de abril de 2011, un sesmo de magnitud 3,8 con epicentro en Vistabella(Zaragoza) se hace notar en la capital de Aragn.

El ltimo y ms reciente se provoc el 11 de mayo de 2011, un sesmo con dosrplicas de magnitud mayores a 5 grados en la escala de Richter en la localidadde Lorca (Murcia) que ha dejado un total de 12 vctimas.

La accin ssmica es un aspecto clave dentro del campo de la Ingeniera Ssmica,pero tambin complicado debido a la gran cantidad de fenmenos fsicos que in-tervienen en la gnesis del sismo, en la propagacin de las ondas hasta el lugar delemplazamiento y en los daos que ste produce en las estructuras. Es por ello que losinvestigadores tienden a simplificar el problema definiendo la accin ssmica segnlos objetivos de sus estudios. As pues, un sismlogo considerar que el sismo est to-talmente definido cuando conozca todos los parmetros que modelizan la generacindel sismo: epicentro, orientacin de la falla, mecanismo de rotura, etc... Por otra par-te, un ingeniero considerar que el sismo est totalmente definido cuando conozca losparmetros que le sirven para evaluar los daos que pueda producir el evento sobre laestructura objeto de estudio. En este Proyecto Fin de Mster (PFM) especialmente,desde el punto de vista del ingeniero se va a utilizar la tcnica de emisin acs-tica (EA) para analizar el estado de las estructuras de hormign armado


Marco de la investigacin.

(HA) cuando se produzcan eventos ssmicos, y eventualmente, predecircon suficiente antelacin el colapso de las mismas.

Todos estos datos muestran claramente que los efectos del sismo dependen engran medida, no slo de la severidad del mismo, sino tambin de factores como lacalidad en la construccin, las medidas preventivas tomadas ante estos fenmenosa nivel de atencin sanitaria, proteccin civil, posibilidades de evacuacin, capacidadde maniobra de los paises, etc. Por ello resulta especialmente importanteuna buena normativa sismorresistente, una buena prctica constructivay un estudio de las estructuras despus de producirse eventos ssmicospara reducir al mximo el nmero de vctimas mortales y las prdidaseconmicas.

El objetivo es evaluar cualitativamente el dao que se produce enestructuras de HA sometidas a cargas ssmicas simuladas en una mesa vibran-te, a partir de los registros de la EA que se generan durante el ensayo. Se trata decorrelacionar la energa liberada durante la evolucin del dao (que se puede medircon precisin a partir de la historia de aceleraciones y desplazamientos registradosdurante el ensayo) con las seales y cantidad de emisin acstica emitida.

Para alcanzar el objetivo de evaluar el dao en las estructuras con el uso dela EA que se genera durante el ensayo, es necesario un proceso de filtrado deseales para separar aquellas que se producen debido a la fisuracin delhormign de aquellas que proceden de otras fuentes consideradas ruido,siendo este el propsito concreto de este PFM.

1.2. Marco de la investigacin.

El PFM se realiza en el marco de varios proyectos de investigacin en curso,orientados fundamentalmente a estudiar el comportamiento ssmico de estructurasde hormign armado, uno de cuyos objetivos y aspectos concretos es la evaluacindel dao mediante la tcnica de EA.

El proyecto de investigacin ms importante es el Proyecto de Excelenciade la Junta de Andaluca, actualmente activo, conocido con el acrnimo DIDETS:Desarrollo e implementacin de la tecnologa de los disipadores de energa aplicadaal control de dao en construcciones sometidas a terremotos y su evolucin median-te tcnicas avanzadas de tratamiento de seales (P07-TEP-02610). El investigadorprincipal es el Dr. Amadeo Benavent Climent, y en l participa el Dr. Antolino Ga-llego Molina como responsable de la tcnica de Emisin Acstica. Dicho proyectocomenz en 2008 y est vigente hasta 2012. La cantidad concedida como financia-cin a este Proyecto de Excelencia fue de 569.668,00 , el 100 % del presupuestopresentado.

Cabe sealar su carcter multidisciplinar en el que participa personal condistintas titulaciones acadmicas: Ingeniera de Caminos, Canales y Puertos, Arqui-tectura, Licenciatura en Fsicas, Arquitectura Tcnica, Ingenieros de la Edificacin,


Antecedentes

Ingeniera de Telecomunicaciones, Ingeniera Industrial y Licenciatura en Econmi-cas. Esta variedad de titulaciones es debida a que en el proyecto concurren variasdisciplinas: ingeniera ssmica, tecnologa de sensores y actuadores, tratamiento deseales, vibraciones, emisin acstica, fsica de los materiales, investigacin comer-cial, etc.

1.3. Antecedentes

La actividad del grupo de investigacin en relacin con la evaluacin de daoen estructuras de hormign armado con la tcnica de emisin acstica se puededividir en 3 fases:

1. Dentro del marco de un proyecto del Plan Nacional de I+D del Ministerio deEducacin y Ciencia (BIA-2005-00591), dirigido por el Dr. Amadeo BenaventCliment, se realizaron ensayos cuasi estticos en uniones viga-pilar de hormi-gn armado. En ellos, bajo la coordinacin del Dr. Antolino Gallego Molina,se registr la emisin acstica con objeto de evaluar el dao ocurrido en elespcimen a lo largo de los ensayos. Como resultado se defini un ndice dedao basado en la medicin de la emisin acstica, cuyo fundamento fsicoreside en la fuerte correlacin entre la energa de emisin acstica registradadurante los ensayos (medida con sensores de EA) y la energa de deformacinplstica liberada por el espcimen (calculada a partir de medidas de la carga yla deformacin del espcimen). Estos resultados se publicaron en dos artculosindexados en revistas de primer nivel:

[1] Evaluation of low-cycle fatigue damage in RC exterior beam-columnsubassemblages by acoustic emission. A. Benavent, E. Castro, A. Gallego.Construction and Building Material. Volume 24, Issue 10, October 2010,Pages 1830-1842.

[2] AE monitoring for damage assessment of RC exterior beam-columnsubassemblages subjected to cyclic loading. Benavent-Climent, A., Cas-tro, E., Gallego, A.. Structural Health Monitoring. Volume 8, Issue 2,2009, Pages 175-189.

2. Posteriormente, y ya dentro del proyecto DIDETS, se realiz hace dos aosuna primera campaa experimental, consistente en ensayos dinmicos (simu-laciones ssmicas) sobre una estructura formada por una losa de hormign ycuatro pilares de acero, sin y con disipadores histerticos de energa. Con estosensayos se volvi a corroborar la fuerte correlacin entre la energa de emisinacstica y la energa de deformacin plstica y se valid el ndice de daoya definido en el proyecto anterior, pero para el caso ms complejo y realistade ensayos dinmicos. Este resultado se ha publicado en otros dos artculosindexados, tambin en revistas de primer nivel:


Objetivos especficos - contribucin particular.

[3] Health monitoring of reinforced concrete slabs subjected to earthquake-type dynamic loading via measurement and analysis of acoustic emissionsignals. Gallego, A., Benavent-Climent, A., Infantes, C. Smart structuresand systems. 2011.

[4] An acoustic emission energy ndex for damage evaluation of reinforcedconcrete slabs under seismic loads. Benavent-Climent, A., Gallego, A.,Vico, J. M. Structural Health Monitoring. Junio 2011.

3. Uno de los objetivos de la presente campaa experimental, tambin dentro delproyecto DIDETS, es comprobar la aplicacin de dicho ndice de dao paraprticos de hormign armado sometidos a cargas ssmicas, tanto sin disipadorescomo con disipadores, o bien, establecer las modificaciones y reformulacionesoportunas que se deriven de la investigacin.

1.4. Objetivos especficos - contribucin particular.

El diseo de los ensayos dinmicos y el proyecto del espcimen ensayado hansido realizados por otros investigadores y su descripcin pormenorizada ser objetode futuras publicaciones. La aportacin del autor de este PFM, que se incluye en estetrabajo, ha consistido en la programacin de un software en "Matlab" (es un softwarematemtico que ofrece un entorno de desarrollo integrado (IDE) con un lenguaje deprogramacin propio, lenguaje M) y de un posterior criterio para el filtrado de lasseales de EA obtenidas de la medicin de EA generada en las estructuras de HAsometidas a cargas dinmicas ssmicas. Este criterio pretende diferenciar las sealesno relacionadas con el dao en el hormign creadas por otras fuentes de ruido, delas seales de EA relacionadas con el dao. El algoritmo y el programa se validancon los datos de una reciente medicin in situ.


Captulo 2

Descripcin de la tcnica de EmisinAcstica.

2.1. Introduccin.

Los primeros estudios bsicos sobre los fenmenos de emisin acstica se reali-zaron en Estados Unidos (1948) y Alemania (1950). Kiser fue el primer investigadorque utiliz una instrumentacin electrnica para registrar los sonidos audibles pro-ducidos por los metales durante su deformacin. En todos ellos detect una emisinacstica (entre ellos cinc, aceros, aluminio, cobre y plomo). Los trabajos de Kiserdespertaron gran inters en Estados Unidos, por lo que Schofield (1958) y Tatro(1959) mejoraron la instrumentacin. A partir de 1964 se han realizado muchas in-vestigaciones sobre todas clases de materiales mediante la tcnica de EA. Muchostrabajos tratan del estudio de la mecnica de la fractura en materiales con y singrietas. Se han comprobado que cuando se somete a esfuerzos una probeta de ma-terial con grietas, la deformacin plstica da lugar a seales de EA que se inicianprecisamente en los extremos de la grieta y en puntos de la concentracin de grietas.

La EA es la clase de fenmeno que genera ondas elsticas transitorias por laliberacin rpida de energa a partir de fuentes localizadas, o las ondas transitoriasgeneradas de este modo. Las fuentes clsicas de EA son los procesos de deformacinrelacionados con defectos tales como la generacin y propagacin de fisuras, defor-maciones del material, desprendimientos del agregado de la matriz, contracciones odilataciones por fraguado o variaciones de temperatura, etc. El origen de la EA es elcampo de tensiones creado dentro de material. Por tanto, de no existir variacionesen el campo de tensiones no se produce EA.

Cuando en una pieza de un slido como el hormign se somete a un procesode carga hasta rotura, ocurren en su interior una serie de dislocaciones de microes-tructura que puede detectarse acsticamente. Estas dislocaciones van acompaadasde una liberacin de energa potencial que, en parte, se transforma en calor, que-dando una pequea fraccin que, al radiarse en forma de energa vibratoria, puedeser recogida en la superficie del slido.

13

Introduccin.

Todos los materiales producen EA durante la creacin y propagacin de fi-suras y durante la deformacin. Las ondas elsticas se mueven a travs del slidohacia la superficie, donde son detectadas por sensores, vase en la Figura 2.1. Estossensores son transductores que convierten las ondas mecnicas en ondas elctricas.De este modo se obtiene la informacin acerca de la existencia y ubicacin de po-sibles fuentes. Esto es similar a la sismologa, donde las ondas ssmicas alcanzanlas estaciones situadas en la superficie de la tierra. Luego del procesamiento de lasseales, se obtiene la ubicacin de los centros ssmicos.

La EA presenta frente a otras tcnicas, la ventaja de que la informacin sobrela existencia de un posible defecto se recoge en tiempo real. La tcnica de EA sebasa en la deteccin de las ondas elsticas producidas por la aparicin o crecimientode un defecto en un material y conversin de ondas elsticas a seales elctricas. Lossensores son colocados sobre la estructura. La salida de cada sensor piezoelctricoes amplificada por un preamplificador de ruido bajo (en forma de seal elctrica) yllevada mediante un cable coaxial a un equipo de adquisicin, que procesa las sealesy que mediante un software adecuado, representa los resultados on y off line.

Figura 2.1: Proceso de emisin acstica.

En contraste con la mayora de los ensayos no destructivos, las ventajas ydesventajas de la EA son:

1. Ventajas:

Los defectos proporcionan su propia seal (esto permite un descubrimien-to rpido y temprano de defectos).

Detectar los movimientos (otros mtodos no destructivos detectan lasdiscontinuidades geomtricas).

Deteccin de crecimiento/movimiento de los defectos (sensibilidad alta).


Introduccin.

Monitorizacin global del espcimen.

Tiempo real de monitorizacin.

Deteccin de disposicin de posibles defectos.

No es necesario limpiar la superficie.

2. Las desventajas del mtodo son:

Ruido exterior.

Difcil interpretacin de los resultados.

La tcnica de EA se ha aplicado en:

Estudios en laboratorio (ensayos no destructivos).

Inspeccin de estructuras.

Estudios de evaluacin de estructuras.

Pruebas de carga.

Estudios de corrosin.

Pruebas avanzadas de materiales (compuestos, cermicos).

Control de calidad de produccin.

Deteccin de fallos incipientes por fatiga en componentes estructurales de ae-ronaves.

Control de agrietamiento de las soldaduras durante el proceso de enfriamiento.

Estudios del comportamiento de los materiales a altas temperaturas.

En concreto, la aplicacin de la EA al hormign, puede considerarse nueva, debidofundamentalmente a propiedades que perjudican el buen desarrollo de la tcnica deEA en el hormign:

Inhomogeneidad (lo que hace que los mecanismos de fractura sean numerososy complejos).

Alta atenuacin.

Estructuras de grandes dimensiones.

Esto no slo le ocurre a la EA, sino que es algo que ocurre en general con la evaluacinno destructiva del hormign. Sobre todo por la atenuacin, ya que es difcil separarlos defectos del hormign de otro tipo de factores que no suponen peligro, ademsde que no existen criterios de fallo universales para estructuras de hormign.

Los aspectos que muchas veces han llevado a no utilizar la EA en el controlde calidad de estructuras de hormign son:


Seales de EA.

Una tremenda desconexin entre la investigacin y la aplicacin comercial.

La falta de normativa.

Una poco fructfera competencia entre los distintos mtodos de ensayos nodestructivos.

Ante este escenario, las mejoras se deben encaminar hacia:

Entender mejor la relacin entre las ondas ultrasnicas y las caractersticasms relevantes del material. Es decir, un entendimiento del funcionamiento dela relacin microestructura-macroestructura.

Desarrollar mecanismos y controles rigurosos para evaluar la corrosin de lasbarras de acero, y su efecto sobre el hormign.

Entender mucho mejor la relacin entre los defectos del material y la seguridadestructural.

Este ltimo paso es imprescindible para la interpretacin de los datos recogidos enun ensayo de EA.

2.2. Seales de EA.

Normalmente las seales en EA pueden clasificarse en dos tipos:

1. Seal transitoria. Estas seales tienen puntos definidos claramente de principioy final (vase la Figura 2.2). Son caractersticas de aparicin y crecimiento defisuras de un material.

Figura 2.2: Seal transitoria de EA.

2. Seal continua. Son ondas que tienen amplitudes variadas y frecuencias, perosin un principio y final claros. La Figura 2.3 representa un modelo de seal


Parmetros de las seales transitorias de EA.

continuo tpico. Estas seales son tpicas de movimientos o dislocaciones, yrozamientos.

Figura 2.3: Seal continua de EA.

Este PFM tiene como objetivo diferenciar las seales transitorias quese producen por la fisuracin del hormign de las seales continuas queprovienen de fuentes de ruido, a travs de un filtro implementado con elsoftware "Matlab".

2.3. Parmetros de las seales transitorias de EA.

Los datos sobre la forma de onda, pueden ser usados para sacar la informacinsobre la fuente que la ha generado, as como de su actividad e intensidad. Una sealtransitoria tpica se representa en la Figura 2.4.



Figura 2.4: Parmetros de la seal de EA.

Los parmetros clsicos de una seal transitoria son:

1. Umbral: Nivel de tensin que debe sobrepasarse para que una seal de EA seadetectada y procesada. Este umbral puede ser ajustable, fijo o flotante. En elensayo Calitri-100 se us un umbral fijo de 50 dB de amplitud.

2. Tiempo de llegada. Es un tiempo absoluto en el cual comienza la seal. Sudeteccin, especialmente si hay ruido, no suele ser fcil ni precisa.

3. Tiempo de cruce del umbral. Es el tiempo que tarda la seal en sobrepasar elumbral desde que es detectada.

4. Amplitud mxima. Es la amplitud mxima dentro de la duracin de la seal,es decir, el voltaje ms alto a cualquier punto en la forma de onda. Existeamplia variedad de amplitudes de seal encontradas en la prctica. Si se mideen V, se habla de amplitud lineal. En muchos casos se expresa en dB, definidacomo:



A(dBEA) = 20 logVpVref

(2.1)

donde:Vp= voltaje mximo en la salida del elemento transformador, en V.Vref= voltaje de referencia, en V, habitualmente elegido como Vref = 1 V.Por ejemplo, 50 dB corresponden a:

50 dB = 20 logVp

1/1000mV; Vp = 0, 316 mV (2.2)

5. Tiempo de subida. Es el intervalo de tiempo entre el tiempo de cruce delumbral y el tiempo de amplitud mxima.

6. Duracin de seal. Es el tiempo transcurrido entre el tiempo de cruce delumbral y el ltimo cruce del umbral. Es muy til para la filtrar el ruido.

7. Nmero de cuentas. Es el nmero de veces que la seal cruza el umbral.

8. Energa MARSE (rea de medida de la envolvente de la seal rectificada).La energa de la seal de salida del sensor es directamente proporcional al reabajo la envolvente de la seal rectificada.

Existen varios aspectos que influyen mucho en la forma de la seal.

a) La atenuacin del medio, definida como la prdida de amplitud de seal.

b) La geometra del espcimen.

c) La velocidad de onda y la dispersin del medio.

En trminos de EA, un hit es una seal de emisin acstica y un evento es unaagrupacin de hits captados por distintos sensores que provienen de la misma fuen-te de EA(una fisura, por ejemplo) y son agrupados en un constructor de eventos(explicado en la seccin 4.2 de este PFM).

La determinacin de la posicin de la fisura de cada uno de los eventos esfundamental para las pruebas de EA. Para obtener la localizacin de las sealestendremos es cuenta que la distancia entre la fisura y los sensores es igual al tiempode llegada multiplicado por la velocidad de la seal. La onda de EA se distribuyeen crculos concntricos en su fuente (fisura) y llegan a cada uno de los sensores queforman el constructor de eventos con un tiempo distinto (vase la Figura 2.5) . Ladiferencia de tiempo es proporcional a la distancia entre el sensor y la fisura. En esteejemplo la onda primero alcanza el sensor 1, luego al 4, al 2 y finalmente, al sensor3. En este momento el software calcula la localizacin planar de la fisura gracias atres hiprbolas, cada una se obtiene de los clculos de la posicin de la fisura segnvan llegando a cada sensor de forma independiente y en el punto de interseccin delas hiprbolas se ubicar la fuente.


Contexto nacional de la aplicacin de EA en hormigones.

Figura 2.5: Principio de localizacin planar de fuentes de EA.

2.4. Contexto nacional de la aplicacin de EA enhormigones.

2.4.1. Investigacin en Espaa.

El uso de la EA como tcnica de anlisis de la mecnica de fractura delhormign armado, tanto en laboratorio como en servicio en Espaa, historicamenteha sido prcticamente nulo. Slo tenemos constancia de que en la Escuela Tcnicade Obras Pblicas de Madrid, el grupo del profesor Luis Bernardo Lpez Vzquez(tambin perteneciente al CEDEX), del Departamento de Ingeniera Civil, trabajen el uso de la EA para hormigones. Tambin, en el Laboratorio de Estructuras delCEDEX a cargo del profesor Jos Climent y posteriormente a cargo del profesorAngel Martnez, trabajaron en el anlisis mediante EA del efecto de la corrosinde las armaduras sobre el hormign, sin que tengamos constancia de que dichasinvestigaciones tuvieran continuidad. Esto fue hace 25 aos.

S que existen resultados exitosos de la aplicacin de la EA al estudio deldeterioro de la piedra en monumentos, que se realizaron hace unos aos en el grupode Petrologa Geoqumica del Dpto. de Geologa de la Universidad de Oviedo bajola direccin del profesor Modesto Montoto, donde cuentan con un equipo de EA confines de investigacin.

2.4.2. Contexto internacional.

En cuanto a la EA en hormigones en el contexto internacional la situacin esmuy diferente y son numerosos los grupos de investigacin que trabajan intensamenteen la EA sobre hormigones armados. Por cuestiones geogrficas y de importancia,citaremos los siguientes:

En Europa, el grupo ms consolidado es el liderado por el profesor Grosse,


EA en hormign.

perteneciente a la Universidad de Sttutgart, a travs del Instituto de Materialesde Construccin (IWB), donde se han desarrollado durante los ltimos aosdiferentes proyectos de investigacin subvencionados por el gobierno alemnsobre NDT (Non Destructive Testing) en hormigones, muchos de los cualesestn vigentes en la actualidad. Entre ellos, cabe citar el proyecto Detecciny localizacin de defectos en hormign armado con acero y con fibra de acero.

Japn es el pas donde se encuentra el grupo que lidera las investigaciones yaplicaciones a estructuras reales en materia de EA para estructuras de hormi-gn armado. Se trata del grupo liderado por el profesor M. Ohtsu del Depar-tamento de Ingeniera Civil y Arquitectura de la Universidad de Kumamoto.Este grupo es pionero en la aplicacin del mtodo ITM con el cdigo SIGMA,lo cual es lgico teniendo en cuenta el gran potencial en investigacin Geofsicaque tiene este pas por necesidades impuestas por su enorme actividad ssmi-ca. De hecho, son muchos los trabajos que han aparecido en EA en hormignarmado desde el gran terremoto Hanshin que sacudi el rea de Kobe en 1995.No obstante en este pas hay otros muchos grupos de investigacin de EA enhormign armado, y la empresa Nippon Physical Acoustic Ltd., realiza unaextensa actividad de I+D en este tema. Los laboratorios que en todos los casosusan para los ensayos son de enormes dimensiones, lo cual nos puede dar ideadel enorme potencial econmico de estas investigaciones.

Por otro lado, en USA cabe destacar el grupo del profesor E. Landis del Depar-tamento de Ingeniera Civil y Medioambiental de la Universidad de Maine enOrono, y el Centro NFS para la Ciencia y la Tecnologa de materiales avanzadoscon base cemento de la Universidad de Northwestern en Illinois. Igualmente,realizan investigaciones muy desarrolladas de EA en hormign armado, conanlisis de localizacin y caracterizacin de la fractura.

Igualmente existen grupos productivos (aunque no tanto como los anteriores)de investigacin de EA en hormign armado en pases como Francia, RepblicaCheca, China y Grecia.

2.5. EA en hormign.

En primer lugar debemos dejar claro que, a pesar de las limitaciones exis-tentes todava, la EA puede aplicarse, y de hecho se ha aplicado, con xito, dandorespuesta a un gran nmero de cuestiones sobre el comportamiento del hormignbajo diferentes escenarios de carga.

Son muchas las clasificaciones que pueden hacerse del trabajo realizado eneste terreno, ya sea segn:

El tipo de ensayo.


EA en hormign.

Si son de laboratorio o de servicio.

Segn el tipo de tcnicas de anlisis.

Segn el tipo de hormign y de armadura.

Si se aplica solo EA o solapada con alguna otra tcnica NDT.

De una u otra forma, hay muchos trabajos realizados y artculos publicados, todosellos de una antigedad de no ms de 20 aos, aunque la gran mayora lo han hechoen los ltimos 15 aos. Esto nos da idea del inters y desarrollo de esta tcnica enhormigones en la actualidad. Es lo que podemos denominar un tema actual en elmundo cientfico.

Quizs sea la clasificacin atendiendo al tipo de anlisis de los datos regis-trados la que nos pueda ser ms til para describir la situacin actual del problema.A este respecto, podemos considerar tres tipos:

Los trabajos que menos han profundizado en los fenmenos fsicos que aconte-cen en los procesos de microfracturacin del hormign, pues todos ellos usanEA no cuantitativa.

Los trabajos que no han utilizado EA, pero que han incorporado algoritmosde localizacin de fracturas.

Los trabajos sobre EA cuantitativa con localizacin y caracterizacin de fuen-tes mediante el anlisis de las ondas P de EA.

a) En primer lugar, Los trabajos que menos han profundizado en los fenmenosfsicos que acontecen en los procesos de microfracturacin del hormign usanEA no cuantitativa. No obstante, con estos mtodos se han podido realizarimportantes avances:

-Se han realizado ensayos de compresin [5], incluso variando el tamao delagregado y la composicin del hormign [6], llegndose a correlacionar la can-tidad de emisin con las curvas esfuerzo-deformacin e incluso asociando po-sibles mecanismos de fractura con las diferentes etapas de las curvas de EA.En algunos casos se ha fusionado la utilizacin de la EA con la tcnica deultrasonidos [7].

-Se han realizado ensayos de flexin (tres puntos de apoyo), variando el tipode hormign e incluso considerando hormigones especiales con fibra de ace-ro [8]. En este trabajo, se demuestra como la duracin de los eventos es unparmetro clave para la separacin de cinco, siete y nueve mecanismos de fa-llo, respectivamente, en mortero, hormign y hormign reforzado con fibra deacero.


EA en hormign.

-Se ha estudiado el efecto de los productos de la corrosin en ensayos de corro-sin acelerada de barras de acero desnudo sobre probetas de hormign descar-gado, llegndose a establecer criterios para el anuncio del dao por corrosin,estableciendo una correlacin directa entre la evolucin de la actividad EA yla corriente de corrosin [9]. Igualmente, en esta misma lnea, se han estudiadovigas de hormign armado con armaduras afectadas por la corrosin y some-tidas a diferentes ciclos de carga en ensayos de cuatro puntos de apoyo [10].En este trabajo, se demuestra como es posible determinar criterios basadosen la EA para determinar la severidad del dao debido a la corrosin de laarmadura de las vigas.

-Se ha comparado, desde el punto de vista de la fractura, la EA en hormigonescon armaduras convencionales de barras de acero desnudo y en hormigones confibra de acero, sometidas a ciclos de carga en ensayos de flexin [11]. Incluso eneste caso se han considerado estructuras de gran tamao. En este trabajo, seresalta la necesidad de focalizar las investigaciones en localizacin de fuentesusando anlisis de las ondas, e incluso usar la EA junto a otras tcnicas deNDT.

-Se han estudiado vigas de hormign armado reparadas y sometidas a ensayosde flexin, llegndose a establecer criterios efectivos basados en EA para medirla severidad del dao introducido por la reparacin de la viga [12]. Todos estostrabajos han sido de laboratorio. No obstante, en este mismo escenario detcnicas no cuantitativas se enmarcan la gran mayora de las aplicaciones dela EA a estructuras de hormign armado en servicio.

b) En segundo lugar, se han publicado gran cantidad de trabajos, que aunque nousan EA cuantitativa completa, s que han dado un paso ms, incorporandoalgoritmos de localizacin de fracturas. Esto, junto con los conocimientos sobrefractura del material, ha permitido tambin realizar importantes avances. Aeste respecto sealamos que:

-Se han demostrado que la EA es efectiva para controlar la evolucin del daodel hormign en procesos de hielo/deshielo [13]. Igualmente, en este trabajose hacen mnimas aportaciones sobre la deteccin del tiempo de llegada de lasondas.

-Se han presentado resultados en ensayos de flexin sobre vigas reforzadas confibra de acero, ensayos de columnas de hormign armado con barras sometidasa traccin, as como ensayos de compresin sobre placas con una pequeamuesca generadora de fracturas tipo II [14]. En todos estos casos se han llegadoa localizar las microfracturas en los procesos de carga, haciendo asociacionesposibles respecto a su origen. En el trabajo se establecen bien las dificultadesexperimentales de la EA en hormign.

-Se ha establecido un mtodo que combina la EA no cuantitativa mediante


EA en hormign.

discriminacin de los eventos por su energa, con localizacin y con anlisis porrayos X con contraste como mtodo de verificacin, llegndose a desarrollarcriterios eficientes para establecer zonas de fractura [15]. En el trabajo seensayan probetas de hormign no armado de diferentes tamaos y diferentestamaos del agregado, sometidas a tensiones de abertura de una pequeafractura.

c) En tercer lugar, y especialmente desde los ltimos 15 aos y sobre todo desdeel ao 1996, se estn realizando muchos trabajos sobre EA cuantitativa conlocalizacin y caracterizacin de fuentes mediante el anlisis de las ondas P deEA, que han permitido un considerable avance de la tcnica en hormigones,aunque eso s, sobretodo en ensayos de laboratorio:

-ntimamente relacionado con este proyecto, el profesor Grosse y sus colabo-radores de la Universidad de Stuttgart, han realizado ensayos de adherencia(tipo pull-out) sobre probetas cbicas con una barra de acero desnudo, llegan-do a establecer localizacin y caracterizacin de fuentes a lo largo del procesode fractura [16]-[17].

-Se han realizado ensayos sobre columnas de hormign armado de grandes di-mensiones sometidas a cargas ssmicas laterales y bajo diferentes cargas axiales,comprobando como la EA es muy sensible para detectar, localizar y clasificarfracturas generadas en sus cimientos [18]. As mismo, se ha demostrado comocon la EA cuantitativa es posible controlar el proceso de dao de pilas de hor-mign pretensado sometido a diferentes tipos de carga uniaxial [19]. Ambostrabajos surgen en el marco de proyectos de investigacin muy ambiciosos araz del gran terremoto Hanshin que tuvo lugar en Japn en el ao 1995.

-Se han realizado ensayos de flexin sobre probetas prismticas sin armaduray con una pequea muesca donde se ha establecido mediante EA cuantitativa,la evolucin del dao y el tipo predominante de microfracturas, dependiendode la dureza de fractura del material [20]. Este mismo estudio se ha hecho enprobetas con armadura de barra de acero desnudo [21], y reforzadas con fibrade carbono y con una lmina de plstico reforzado con fibra de vidrio [22].

-Se han ensayado probetas cuadradas de hormign con una fisura interior condiferentes orientaciones, sometidas a cargas de compresin, demostrndose unavez ms que los parmetros de dao pueden estimarse mediante EA cuantita-tiva [23].

-Se ha hecho el seguimiento de la zona de fractura en la esquina de un marcode hormign armado [24], e incluso se estudiado en laboratorio un modelo depuente de una autova sometido a diferentes ciclos de carga [25].

Adems de estos trabajos de laboratorio, y sobre todo gracias a ellos, la EAse est empezando a aplicar con xito a estructuras en servicio. La mayora


EA en hormign.

de las aplicaciones se han realizado mediante EA no cuantitativa, lo cual eslgico por dos motivos:

La metodologa terica de la EA cuantitativa es muy reciente y an se estdesarrollando.

Para el control en servicio hacen falta equipos de muchos canales e inalmbri-cos, por lo que se requieren ms avances cientficos de tipo tcnico.

No obstante, las aplicaciones, llegadas sobre todo desde Japn, USA y del sector delas infraestructuras de uso civil, van desde el control de calidad de la estructura deun muelle de un puerto [26], el control de una presa [27], hasta el control del efectode los cambios de temperatura sobre puentes [28].


Captulo 3

Breve descripcin del experimento.

3.1. Sismo aplicado en el ensayo.

Con la mesa ssmica de la Universidad de Granada se reprodujo la compo-nente NS del evento de Campano Lucano (Italia, 1980), medido desde la estacinde Calitri.

Los datos principales de este sismo, de acuerdo con [Ambreseys et al., 2001]quedan reflejados en el Cuadro 3.1 y en la Figura 3.1.

Campano Lucano (1980)Estacin Calitri CLT Mw 6.9

Hora 06:34:41PM(UTC) Ms 6.87Fecha 23/11/1980 Intensidad en

el epicentroVII+MCS

Latitud delepicentro

40.78N Geologa local Suelo duro

Longitud delepicentro

15.33E Vs (m/s) 529

Profundidadfocal

16 km Intensidadlocal

VII+MSK64

Distancia alepicentro

16 km PGAHorizontal (g)

0.179

Distancia a lafalla

13 km PGA Vertical(g)

0.167

Cuadro 3.1: Terremoto de Campano Lucano 1980, datos de la estacin de Calitri.

26

Descripcin de la instrumentacin de EA.

!

Figura 3.1: Acelerograma de la componente del terremoto aplicado.

Se realizaron diversas simulaciones ssmicas con aceleracin mxima creciente.En este PFM se usan las seales de EA registradas durante la segunda simulacinssmica (llamada Calitri-100), con una aceleracin mxima de PA= 0,18 g.

3.2. Descripcin de la instrumentacin de EA.

Para registrar las seales de emisin acstica se utiliz el equipo Vallen Sys-teme AMSY-5, con 16 canales de entrada, de los cuales se utilizaron en este ensayoslo 15. Tambin cuenta con dos entradas paramtricas, a travs de las cuales seregistr la aceleracin y el desplazamiento de la mesa ssmica. en la Figura 3.2 semuestra dicho equipo.

!

Figura 3.2: Equipo Vallen Systeme AMSY-5 utilizado para registrar la emisin acsticadurante el ensayo.

Se colocaron 20 sensores de baja frecuencia, modelo VS-30V, cuya curvade sensibilidad se muestra en la Figura 3.3. Las caractersticas de dichos sensorespueden verse en el Cuadro 3.2. Son sensores de banda ancha, puesto que la respuestaes relativamente plana y suave entre 25 kHz y 80 kHz. Como se conoce de anterioresinvestigaciones en las que se ha aplicado la EA a estructuras grandes de hormign,conviene usar sensores de baja frecuencia ya que el hormign tiene una considerabledispersin y atenuacin acstica, que se incrementa al aumentar la frecuencia. As,



trabajando en baja frecuencia, se logra disminuir dicha atenuacin y dispersin delas ondas acsticas, permitiendo una mayor deteccin y capacidad de localizacindel dao con un menor nmero de sensores.

Caractersticas de los sensores VS-30VRango defrecuencias

[kHz]

25-80 (respuestaplana)

Peso [g] 44

Frecuenciapico [kHz]

Plano Rango detemperatura

[C]

-5 / + 85

Tamao [mm] 20.3x37 Capacitancia[pF]

140

Cuadro 3.2: Caractersticas de los sensores VS-30V.

!

Figura 3.3: Curva de sensibilidad de los sensores VS30-V.

Un aspecto importante antes de la realizacin del ensayo, fue la fijacin delos sensores al espcimen para conseguir un buen acoplamiento. En este caso se optpor un montaje mediante compresin con unos soportes metlicos fabricados espe-cialmente para este fin. Estos soportes se fijaron al hormign mediante dos tornillos.Gracias a la presin ejercida por una varilla roscada con base de goma, se consiguemantener el sensor en contacto con el hormign. La colocacin del sensor con di-cho dispositivo se puede observar en la Figura 3.4 . Adems, fue necesario colocarun material acoplante entre el sensor y el hormign, con el objetivo de proporcio-nar una buena conductividad acstica entre las ondas que llegan al hormign y elsensor. En este caso se aplic grasa de silicona tras una limpieza de la superficiesensor-espcimen.



!!

Figura 3.4: Colocacin del sensor en el espcimen.

Despus del montaje hay que verificar la sensibilidad de cada sensor y elcorrecto funcionamiento del mismo.

La colocacin de los preamplificadores se realiz con dos mtodos distintossegn la posicin en la que se deban situar. Bien mediante soportes metlicos ator-nillados al hormign, o bien, atados con cinta adhesiva a los pilares de hormign,a las vigas metlicas de atado de las zapatas o al prtico metlico (vase la Figura3.5).

! !

Figura 3.5: Mtodos de colocacin de los preamplificadores en el espcimen.

Ubicacin de los sensores.

La primera cuestin a resolver a la hora de proyectar la ubicacin de lossensores es fijar la posible posicin de las fuentes de ruido indeseado.

En este PFM se usan los datos de EA medidos en un pilar de la estructura(pilar P3), en el que se colocaron cuatro sensores. Dos cerca de la unin viga-pilar (elsensor S7 y S8), que monitorizaban dicha unin. Los otros dos (el sensor S13 y S17),se usaron como sensores guarda, para eliminar, en la medida de lo posible, el ruidoprocedente del rozamiento mesa-zapata y el ruido del pistn de la mesa (sensor S13)



y del rozamiento pilar-rtula superior (sensor S17). La ubicacin de los sensores sepuede apreciar en la Figura 3.6.

Figura 3.6: Ubicacin de los sensores en el pilar P3 del espcimen.

Los sensores guarda son iguales que los sensores que se utilizan para lasmedidas de la fisuracin. El carcter de sensor guarda se le otorga off-line a lahora del anlisis de los resultados va software. De este modo, el evento de EA quehaya registrado su primer hit en uno de los sensores guarda es eliminado, porque seconsidera que proviene de alguna fuente ruidosa. Sin embargo, si el primer hit noproviene de esos sensores, se considera un evento que no proviene de dichas fuentesruidosas.



En la Figura 3.7 se observa la colocacin de uno de los sensores guarda,concretamente el sensor S13, que se sita cerca de la zapata del pilar P3.

Figura 3.7: Sensor S13 (canal 11) guarda colocado cerca de la zapata, a 5 cm de launin zapata pilar (fuente ruidosa previsible).

Para evitar la influencia del pistn del actuador de la mesa ssmica, se fij unumbral de deteccin de la EA en 50 dB. Para elegir este valor tambin se tuvieronen cuenta los ensayos de atenuacin, efectuados con anterioridad a la realizacin delos ensayos ssmicos.

En la Figura 3.8, se muestran los sensores ubicados en el nudo de uninviga-pilar del pilar P3.



Figura 3.8: Ubicacin de los sensores en el nudo de unin viga-pilar del pilar P3.

Los filtros utilizados para la adquisicin de datos estn subordinados a lasensibilidad del sensor. Los filtros instalados, como se puede observar en el Cuadro3.3 fueron:

Filtro paso alta: 25 kHz en todos los canales, para evitar los ruidos de bajafrecuencia as como los ruidos mecnicos y medioambientales.

Filtros paso baja: se colocaron filtros de 180 o 300 kHz. Este filtro se colocapara evitar el ruido electromagntico y otros posibles ruidos de alta frecuenciade fuente desconocida.

Los preamplificadores utilizados fueron del modelo AEP4, con una ganancia de 34dB, tambin de Vallen Systeme, mostrados en la Figura 3.9. Se han utilizado pream-



plificadores independientes de los sensores. Su funcin es incrementar la intensidadde la seal de EA captada por los sensores.

Figura 3.9: Preamplificadores AEP4, usados durante el ensayo.

En resumen, la configuracin de EA para este pilar fue la siguiente (vase elCuadro 3.3):

4 Sensores tipo VS-30, S7, S8, S13 y S17.

Canales de entrada de los sensores: C7, C8, C11 y C12.

Filtros (vase Cuadro 3.3).

Ganancia del preamplificador (vase Cuadro 3.3).

Frecuencia de muestreo: 2.5 MHz.

N datos de cada seal: 1024.

HDT: 300 s.

Umbral: 50 dB.

Impedancia de entrada: 50 .



Acoplante: grasa de silicona.

Mina para calibracin (fuente Hsu Nielsen): 0.5 mm.

Sensor Guarda Canal Cdigosensor

TR Filtros(kHz)

CdigoPreamp.

GananciaPream(dB)

7 - 7 2061 SI [25, 180] 45749 348 - 8 2062 SI [25, 180] 41785 3413 G 11 2175 SI [25, 300] 45748 3017 G 12 1285 SI [25, 300] 45751 30

Cuadro 3.3: Configuracin del material de EA para el pilar P3 durante el ensayo.

Adems, para el ensayo se utiliz un equipo de adquisicin responsable demedir otras magnitudes fsicas de la instrumentacin colocada sobre el espcimen.


Captulo 4

Descripcin del filtrado de sealesruidosas.

4.1. Introduccin.

Una vez concluido el ensayo, se decidi centrar este estudio en:

Una nica simulacin ssmica, de aceleracin mxima PA= 0,18 g (Calitri-100).

Los datos de EA medidos por los 4 sensores (S7, S8, S13 y S17) de un solopilar (pilar P3).

Logicamente, el algoritmo aqu desarrollado es aplicable a otros ensayos y anlisis.Los datos de EA medidos con el equipo Vallen Systeme fueron exportados en

dos matrices de datos:

Matriz 1. Es la matriz de datos de las seales (2.048 filas x 3.263 columnas).En esta matriz se alojan el nmero de muestras (2048) de todas las sealescaptadas por los cuatro sensores (3263 seales).

Matriz 2. Es la matriz donde estn todos los parmetros de todas las sea-les del ensayo (36.076 filas x 13 columnas), es decir, existen 36076 seales.De todas ellas se extraen los parmetros (13) de EA adquiridos por el equipode Vallen: (identificacin, dataset, ndex, energa, aceleracin, duracin, tiem-po de llegada, risetime, localizacin, tiempo de adquisicin, cuentas, canal yamplitud).

El nexo de unin de estas dos matrices para poder correlacionar los datos de una conlos de la otra es un ndice (llamado ndex en ingls que es la palabra clave con que sele asigna a un hit de un evento; no pueden coexistir dos hit con el mismo ndex). Asse relacionan los parmetros de cada seal (Matriz 2) con su seal correspondiente(Matriz 1).

El esquema de trabajo se puede observar en la Figura 4.1.

35

Introduccin.

Figura 4.1: Esquema de trabajo.

El programa comercial VisualAE de Vallen Systeme, se utiliza para poderanalizar la EA registrada. Adems permite visualizarla a la vez que se estn reali-zando los ensayos, es decir, adquisicin y visualizacin a la vez (on line), y tambinuna vez concluidos los ensayos (off line). Dicho programa crea automticamente ungrupo de ficheros para cada ensayo:

Un archivo con extensin .vae, que guarda la configuracin y setup del pro-grama y del anlisis realizado por el usuario.

Un archivo con extensin .tra, donde guarda las seales registradas. De estearchivo a travs de un programa realizado por el grupo SNADS en VisualBasic (creado por otro de los miembros del grupo) genera un archivo de textode cada una de las seales del archivo con extensin .tra. Todos estos archivoscon extensin .txt se unen en el programa Matlab constituyendo la Matriz 1denominada como aesignals.mat.

Un archivo con extensin .pri, que guarda los datos de los parmetros delas seales. Estos datos se exportan desde VisualAE gracias a una opcin,a un archivo de texto que puede ser ledo en excel para que sea legible porel programa Matlab. Estos datos constituyen la Matriz 2 que contiene losparmetros de las seales, y a la que llamamos aeparameters.mat.


Constructor de eventos de EA con el programa VisualAE.

Un archivo con extensin .vac, que es un archivo de seguridad del archivo deparmetros con extensin .pri.

4.2. Constructor de eventos de EA con el programaVisualAE.

En primer lugar, los datos de los ensayos se previsualizaron con el softwareVisualAE (como se ha explicado en el apartado anterior). Antes de su exportacinse ejecut, con dicho programa, un prefiltrado que:

1. Elimina todas las seales que tuviesen una cuenta.

2. Genera un constructor de eventos. Es un filtrado eficaz para dejar solo lasseales que han llegado a un determinado grupo de sensores definido por elusuario. En nuestro caso, este constructor de eventos deja pasar solo las sealesque llegaron a los cuatro sensores del pilar P3 (canales C7, C8, C11 y C12).

En el constructor hay que fijar dos opciones:

Los canales utilizados y su tipo: Normal (N), Guarda (G) o Combinado (C).

Criterio de tiempo de creacin del evento (FHCDT).

En el primer apartado se fijan los canales que participan en el constructor de eventos.Un evento puede ser una fisura que se genera en un punto y cuya onda emitida esregistrada por varios sensores.

Todos los eventos cuyo primer hit es captado por un sensor establecido comoNormal (canales C7 y C8), son considerados, en principio, provenientes de la fisura-cin del hormign en la zona estudiada. Sin embargo, si ese primer hit es captadopor un sensor Guarda, dicho evento se considera que no procede de la fisuracindel hormign en dicha zona de estudio, sino por un ruido o fisura cercana al sensorGuarda. El canal establecido como Combinado es usado como canal Guarda si reci-be el primer hit del evento y como canal Normal en otro caso. Adems, la posicinde los canales Normales y Combinados debe ser introducida para poder realizar lalocalizacin de los eventos registrados.

Para establecer el criterio de tiempo de creacin del evento para construireventos e identificar el canal del primer hit, es necesario conocer la distancia entre lafuente de ruido que afecta al elemento de estudio y el sensor de inters ms alejado,de modo que dicha distancia sea mxima. Es necesario saber aproximadamente lavelocidad de propagacin de la onda en el material. Se considera un nuevo eventocuando el tiempo entre un hit y el anterior es mayor que FHCDT.

El clculo del FHCDT se recomienda hacerlo de la siguiente forma:

FHCT = 1, 1max. distancia entre la fuente de ruido y el sensor

velocidaddepropagaciondelaonda (4.1)


Constructor de eventos de EA con el programa VisualAE.

La velocidad de propagacin de las ondas en el hormign se midi expe-rimentalmente. El procedimiento consisti en colocar dos sensores a una distanciaconocida y generar una seal de EA artificial en un punto no equidistante entre ellos.Conocida la diferencia de distancia entre la fuente y los dos sensores colocados, d,y la diferencia de tiempo de llegada de dicha seal a los dos sensores, t, es posiblecalcular la velocidad de propagacin de la onda en el hormign, de la forma:

v =dt

(4.2)

Tras realizar varias pruebas con distancias distintas, se determin que dichavelocidad es aproximadamente de 250 cm/ms.

Para el clculo del sensor ms lejano de la fuente de ruido en el pilar P3, ladistancia a considerar es la distancia entre la base del pilar P3 y el sensor 8, un totalde 172 cm. Por tanto,

FHCDTpilarP3 = 1,1172cm

250cm/ms = 0, 76ms (4.3)

Una vez establecido el constructor de eventos es posible localizar linealmentela posicin de dichos eventos. Para ello, es necesario determinar la posicin de lossensores considerados de tipo Normal o Combinado (vase la Figura 4.2), previafijacin de un origen de coordenadas (vase el Cuadro 4.1). Tambin hay que indicarla velocidad de propagacin de las ondas en el hormign, determinada anteriormente.

Canal Tipo Posicin (cm)

7 Normal -328 Normal 2011 Combinado -13512 Combinado 41

Cuadro 4.1: Definicin de canales y posiciones para el constructor de eventos y ellocalizador lineal empleado en el pilar P3.


Descripcin del algoritmo.

Figura 4.2: Localizacin de los sensores en el pilar P3.

4.3. Descripcin del algoritmo.

Los algoritmos matemticos en los que se centra el programa creado constitu-ye en s mismo, una secuencia finita de operaciones lgicas y aritmticas realizadaspaso a paso en un determinado orden, que permite hallar la solucin numrica delproblema planteado. En este PFM mediante el uso del software Matlab se hacreado un programa que mediante una serie de algoritmos es capaz de filtrar sea-les calculando su media cuadrtica (valor RMS) en distintos intervalos de tiempo(ventanas temporales).

La media cuadrtica o RMS es una medida estadstica de la magnitud de unacantidad variable. Puede calcularse para una serie de valores discretos o para unafuncin de variable continua. El nombre deriva del hecho de que es la raz cuadradade la media aritmtica de los cuadrados de los valores de la seal xi, es decir:

RMS =

1N

N

i=1

x2i (4.4)


Criterio de filtrado offline de seales de EA.

4.4. Criterio de filtrado offline de seales de EA.

En primer lugar, se llev a cabo una observacin detallada de las formas delas ondas de EA registradas por los cuatro sensores en el ensayo Calitri-100. Seobservaron dos tipos de seales diferentes: unas seales tipo I donde la energa seconcentra principalmente al comienzo de la seal y cuya duracin no fue excesiva-mente alta y unas seales tipo II cuya energa no se concentra al comienzo, sino quese distribuye a lo largo de toda la seal y que era de mayor duracin. Estas carac-tersticas complican la separacin por los filtros tradionales basados nicamente enlos parmetros clsicos de las seales de EA, por lo que se decidi desarrollar unprocedimiento adicional de filtrado de seales.

Este procedimiento de filtrado se basa en nuestra propia experiencia previay en la bibliografa existente, donde las seales de corta duracin y cuya energa seconcentra al principio de la seal (tipo I), se corresponden con las fisuras del hor-mign, mientras que las seales designadas de tipo II, de mayor duracin y con unadistribucin de la energa uniforme son producidas por fuentes ruidosas ajenas a lafisuracin del hormign. El primer paso para ello implica representar grficamentelas seales. Para ello se ha creado un software con el uso de "Matlab" que repre-senta cada una de las seales extradas del programa VisualAE y muestra todos susparmetros tradicionales. El segundo paso, consisti en crear otro programa dondeel usuario puede crear cuatro ventanas temporales, W1, W2, W3 y W4 (vase laFigura 4.3). Se han creado las siguientes ventanas temporales:

W1: 0-344 s.

W2: 344-739,2 s. W2 comprenda W3 y W4 de la siguiente forma:

! W3: 344-541,5 s.

! W4: 541,5-739,2 s.



Figura 4.3: Visualizacin de las ventanas creadas.

Cuando el programa ejecuta el filtrado, calcula el valor RMS en cada una de es-tas ventanas. Se obtienen cuatro valores de RMS: RMS1, RMS2, RMS3 y RMS4obteniendo as un valor para cada ventana.

El criterio fsico utilizado para la eleccin de la duracin de W1 fue el siguien-te: al ser la velocidad de la onda de 2,5 mm/s y la distancia mxima era desde labase de la zapata hasta el sensor S8; entonces, la distancia que poda recorrer unaonda antes de ser captada por uno de los sensores era de 860 mm, de este modo eltiempo mximo en llegar la onda a uno de los sensores era de 344 s, valor elegidopara W1.

Las ventanas W3 y W4 estaban comprendidas dentro de W2 y tenan el mis-mo ancho temporal. Con estas ventanas se pretende eliminar aquellas seales queconcentren su energa en estos intervalos. El proceso de filtrado consisti en que:

El valor RMS en la ventana W1 (RMS1) fuese sea mayor N1 veces el valorRMS en la ventana W2 (RMS2), es decir:

RMS1 > RMS2 N1 (4.5)

A su vez el valor RMS en la ventana W1 (RMS1) sea mayor N3 el valor RMSen la ventana W3 (RMS3) y que el valor RMS en la ventana W3 sea N4 vecesmayor que el valor RMS en la ventana W4 (RMS4), es decir:

RMS1 > RMS3 N3 (4.6)RMS3 > RMS4 N4 (4.7)



Las variables N1, N3 y N4 en este proceso de filtrado tuvieron slo valor 1, es decir,la condicin fue la siguiente: el valor RMS de una ventana W1 fuese mayor que elvalor RMS de W2 , que el valor RMS de la ventana W1 fuese mayor que el valorRMS de la ventana W3 y que el valor RMS de la ventana W3 fuese mayor que elvalor RMS de la ventana W4.

De este modo, las seales que cumplan las condiciones (4.5), (4.6) y (4.7)pasaran el filtro y sern consideradas tipo I, y aquellas que quedasen filtradas sonlas consideradas tipo II (consideradas como ruido). En la Figura 4.4 se muestra unesquema para facilitar la comprensin del algoritmo de decisin.

Figura 4.4: Esquema del criterio de filtrado.

En la columna de la izquierda del Cuadro 4.4 se observa la representacin detres ejemplos de seales que han pasado el filtro, que son consideradas de tipo I. Enla columna de la derecha estn representadas tres seales que han sido filtradas porel filtro creado, que son de tipo II.


Algoritmos implementados en Matlab.

Seales tipo I Seales tipo IIIndex: 3730 Channel: C7 Index: 1779 Channel: C7

Index: 3540 Channel: C8 Index: 2078 Channel: C7

Index: 1096 Channel: C7 Index: 5002 Channel: C7

Cuadro 4.2: Representacin de la amplitud [mv] frente al tiempo [s] de sealesclasificadas como tipo I (columna izquierda) y tipo II (columna derecha) registradasdurante el ensayo ssmico Calitri-100.

4.5. Algoritmos implementados en Matlab.

Como se ha comentado anteriormente, el primer paso consiste en exportar losdatos registrados desde el software VisualAE a una hoja de excel que el programaMatlab reconocer como matrices aesignals y aeparameters.

Para la matriz aesignals, se exportan en un archivo los siguientes datos:

! Samples per signal. Nmero de muestras de cada seal. El nmerode muestras que se utiliz fue 2048 muestras, que el programa las fueadquiriendo cada 0,4 s (periodo de muestreo). Este valor viene dado porla frecuencia de muestreo fs, de la siguiente forma:

T iempodeadquisicion = 1fs

=1

2,500000Hz= 4 107s = 0, 4 s

(4.8)



! El ndex. Es el identificador de cada seal (su DNI). No pueden co-existir dos seales con el mismo ndex.

! Time. Es el momento en el que fue adquirida la seal.

! Channel. Es el canal de entrada, es decir, el canal que adquiri la seal.

Para la matriz aeparameters, se exportan todos los parmetros que vamos autilizar para realizar el anlisis de las seales desde VisualAE. En nuestro casoconcreto los parmetros exportados fueron los siguientes:

! ld. Es la identificacin del tipo de seal Distingue entre hit, evento nolocalizado, o evento localizado.

! ndex. El nombre de cada hit.

! Data set. Es la palabra clave con la que se le va asignando a cadacierta unidad de tiempo que corresponde con la adquisicin que se utilizapara registrar la seal paramtrica durante los ensayos. La frecuencia demuestreo utilizada en nuestro ensayo es de 100 Hz. Es decir, cada 0,01 sse adquiere una muestra del desplazamiento y de la aceleracin de la mesassmica (variables paramtricas registradas) a la que est siendo sometidoel espcimen.

! Channel. Es el canal de entrada de la seal.

! Amplitude. Es la amplitud de pico de cada seal.

! Duration. Es la duracin de cada seal.

! Risetime. Se define como el tiempo de subida desde que pasa el umbralhasta que elcanza la amplitud de pico.

! Counts. Es el nmero de cuentas de cada seal.

! Energy. Es la energa MARSE de cada seal.

! Aceleracin. Es la aceleracin de la mesa ssmica (paramtrica 1).

! Displacement. Es el desplazamiento de la mesa ssmica (paramtrica2).

! Time. Es el tiempo en el que se produjo cada seal.

En la Figura 4.5, se puede observar un pantallazo del programa VisualAEdel que partimos para exportar los datos; en donde se encuentran las ventanassiguientes:

En la ventana arriba a la izquierda, est el listado de parmetros que ex-portamos para formar la matriz aeparameters (id, ndex, dataset, channel,amplitude, duration...).

En la ventana arriba a la derecha, la forma de la seal.



En la ventana abajo a la izquierda, es una figura donde se representa grfica-mente los el nmero de eventos localizados.

En la ventana abajo a la derecha, es una figura donde se representa grfica-mente los valores de la energa MARSE segn su localizacin.

Figura 4.5: Programa VisualAE.



Desarrollo de los programas de anlisis y filtrado

El software que realiza el filtrado de seales ruidosas de EA consta de cincoprogramas (vase la Figura 4.6).

Figura 4.6: Esquema de funcionamiento de los programas en "Matlab".



Programa P1.

El primer programa (vase la Figura 4.7), llamado P1, es el programa en elque se introducen los datos iniciales para poderse llevar a cabo el filtrado de seales.

Figura 4.7: Programa inicial P1.

Se cargan las matrices de trabajo aesignals y aeparameters, a partir de unosiconos situados en la barra Toolbar, as como los parmetros que se usaron paraadquirir las seales (n de muestras, umbral de deteccin [dB], pretrigger [s], fre-cuencia de muestreo [MHz]) todo ello necesario para ejecutar el filtrado. Una vezintroducidos todos estos datos al pulsar el ejecutable GO FILTER, se realizar elfiltrado de todas las seales con las condiciones de partida impuestas por el usua-rio. Es ese momento, el programa nos pide el nombre del archivo para guardar. Pordefecto, el nombre del archivo ser aesignals_filtered.

Introduciendo estos datos, se deben introducir las siguientes condiciones defiltrado:

! El nmero de ventanas temporales que se quieran crear. Podemos elegirdesde una ventana hasta un mximo de cinco.

! Los valores temporales de comienzo (start) y final (end) de cada una deellas, valores Vs y Ve. En cada una de estas ventanas el programa calculael valor del RMS de todas las seales: RMS1, RMS2, RMS3y RMS4.

! Los coeficientes Ni para establecer hasta cuatro criterios de filtrado

En la Figura 4.8, se puede observar el programa P1 con los valores de entradaya introducidos, segn la configuracin definitivamente elegida para filtrar lasseales del pilar P3 durante el ensayo Calitri-100.



Figura 4.8: Programa P1 con datos de partida y condiciones iniciales.

Un ejemplo de las condiciones antes mencionadas entre ventanas sera laventana W1 que tendra su espacio temporal definido entre 0 y 344 s, la ventanaW2 entre 344 y 739 s, imponindose entre ellas la condicin:

RMS1 > RMS2 (4.9)

es decir, N1= 1.



Programa P0.

Para comenzar con el programa P1, es necesario conocer los datos de partidade los valores temporales de las ventanas W1, W2.... Si no es as o se pretende buscarlos valores ms adecuados para que las seales sean filtradas, se puede utilizar elprograma P0, que nos ayudar a previsualizar qu lmites temporales de las ventanasy coeficientes Ni se ajustan ms al tipo de seales que se pretende filtrar, gracias aque nos avisa si cada ventana cumple o no la condicin impuesta para el filtrado,(Vase la Figura 4.9).

Figura 4.9: Programa P0.

Si desde el programa P1 queremos acceder al programa P0, se tendra quepulsar el ejecutable que lleva el nombre de PRE-FILTER ANALYSIS (vase laFigura 4.7).

El programa P0 est programado de tal forma que cuando se abre, tienecargado todos los datos iniciales que se introdujeron en el programa anterior (lasmatrices de trabajo, el nmero de muestras, umbral, frecuencia de muestreo y pre-trigger).

Este programa nos muestra:

Un listado con todos los ndex que tienen las matrices de trabajo, es decir,todos las seales que vamos a poder analizar.

Todos los parmetros tradicionales de cada una de las seales del listado.

La seal y su transformada de Fourier, del ndex que se ha introducido.



Una identificacin grfica por colores de cada una de las ventanas elegidas, elvalor RMS en cada una de las ventanas, las condiciones expuestas entre lasventanas (el valor asignado a Ni) y nos diferencia qu ventanas de entre lasque hemos elegido cumplen o no las condiciones de filtro de la siguiente forma(vase la Figura 4.10):

! Con un OK la ventana que cumple las condiciones.

! Con un NO la ventana que no cumple las condiciones.

Figura 4.10: Programa P0. Comprobacin de condiciones antes del filtrado.

En la Figura 4.10 se observa adems de lo explicado anteriormente, el nmerode ventanas codificado por colores (la ventana W1 de color verde, W2 de color negray W3 azul)sobre una seal concreta que no pasara la condicin de filtrado debidoa que no cumplira sus condiciones:

RMS1 > RMS2 (4.10)

RMS2 > RMS3 (4.11)



Programa P2.

Una vez conocida la definicin de las ventanas en el programa P1, pulsamosel ejecutable GO FILTER para crear el archivo con la informacin ya filtrada. Loguardamos y pulsamos el ejecutable VIEW FILTER RESULTS, que nos llevar aun nuevo programa, el programa P2 (vase la Figura 4.11).

Figura 4.11: Programa P2.

El programa P2 nos muestra el filtrado que hemos realizado a travs de doslistas. En una muestra los ndex que han conseguido pasar las condiciones de filtradointroducidas en el programa anterior (seales tipo I) y en el otro los ndex de lasseales que no cumplen las condiciones, es decir las seales filtradas (tipo II).

En este programa, en comparacin con los ya mencionados, se puede profun-dizar ms en visualizar la seal estudiada, ya que adems de darnos la informacinde sus parmetros, la representacin de la seal y su transformada de Fourier, nosmuestra su espectro de potencia y su espectrograma que nos da informacin sobrela energa del contenido frecuencial de la seal segn va variando sta a lo largodel tiempo. Con estos datos se puede analizar la frecuencia predominante de lasseales. La Figura 4.12 representa un ejemplo, de una seal con un claro contenidofrecuencial en bajas frecuencias (20-70 kHz).



Figura 4.12: Programa P2. Diferenciacin y anlisis de los parmetros de las distintasseales tipo I y tipo II.



Programas P3, P4 y P5.

En el programa P2 se puede elegir entre tres distintos ejecutables que te llevana programas distintos dentro del archivo de filtrado creado anteriormente, cada unoenfocado a un tipo de seal:

El ejecutable PASS FILTER te dirige al programa P3, enfocado a las sealestipo I (vase la Figura 4.13).

El ejecutable NO PASS FILTER te dirige al programa P4, enfocado a lasseales tipo II (vase la Figura 4.14).

El ejecutable ALL SIGNALS te dirige al programa P5, que analiza todas lasseales del archivo de comienzo, es decir sin filtrar. (vase la Figura 4.15).

Estos programas son muy similares. Su principal diferencia radica en que de la matrizinicial extrada del programa VisualAE donde se encontraban todos los parmetrosde las seales ha cambiado. Por ejemplo, en el programa P3 la matriz de datos quelo constituye solo tienen los index y datos de las seales que pasan el filtro (tipo I);en el programa P4 la matriz de datos que lo forma solo tienen los index y datos delas seales filtradas (tipo II); mientras que el programa P5 analizara las matricesde partida de las seales tipo I y tipo II.

Independientemente del tipo de seal que se quiera analizar (si son las sealesque pasan el filtro se escoger el programa P3, si son las seales que quedan filtradasse escoger el programa P4 o si son todas las seales se elegir el Programa P5), elprograma realizar:

Un listado con todos los ndex que tiene la matriz de trabajo.

Todos los parmetros de cada una de las seales del listado (identificacin,energa, aceleracin...).

La representacin de la seal, su transformada de Fourier y su espectrograma,para el valor ndex que ya se ha introducido.

La representacin del nmero de eventos por canal. Este dato nos da informa-cin en qu canales se han registrado mayor nmero de eventos de EA.

La representacin del nmero de eventos frente a su localizacin. Este datonos da informacin de en qu zona se ha producido mayor nmero de eventos,lo que equivaldra a los lugares donde se ha producido mayor fisuracin.

La representacin de la aceleracin y la energa acumulada a travs del tiempo.

La localizacin de los eventos producidos y la energa que contienen cada unode ellos.



Figura 4.13: Programa P3. Anlisis de las seales que pasan el filtro (tipo I).

A modo de ejemplo vamos a analizar la Figura 4.13:

El programa P3 es el programa que visualiza el listado de seales que hanpasado las condiciones de filtrado.

Muestra todos los parmetros del ndex que estamos analizando en ese mo-mento:

! ld, indica que es un Hit.

! ndex = 282.

! Data set = 696.

! Channel = 12, indica que esta seal se ha adquirido por el canal 12.

! Amplitude. Tiene una amplitud mxima de 52,6 dB.

! Duration. Su duracin es de 123,8 s.

! Risetime. Ha tenido un tiempo de subida de 30 s.

! Counts. Tiene tres cuentas.

! Energy. Esta seal tiene una energa de 49,5 eu.

! G. El valor de la paramtrica aceleracin es 0,014 g.

! Displacement. El valor de la paramtrica desplazamiento es 0,05 mm.

! Time. Desde que se comenz a grabar el ensayo, esta seal se produjo enel segundo 12.1618.



Con la transformada de Fourier se observa la descomposicin de la seal encomponentes de frecuencias diferentes y con el espectrograma observamos quelas frecuencias donde se concentra la mayor cantidad de energa estn entre 50y 60 Hz.

De todas las seales filtradas los canales C7 y C8 son los que mayor nmerode seales tipo I han adquirido y el canal C11 el que menos. Este resultadoera de esperar pues los canales C7 y C8 estn posicionados cerca del nudo deunin de la viga con el pilar que es donde ms fisuracin se produjo y en elcanal C11 es el que menos seales tipo I tiene porque es un sensor usado comoguarda, cerca de una zona de ruido de friccin, por lo que por este canalhabrn entrado mayor nmero de seales tipo II.

En la grfica de eventos localizados se observa que donde mayor nmero deeventos se localiz fue entre los canales C7 y C8.

La aceleracin total del sismo ha llegado a un valor mximo de 0,18 g en elsegundo 41,13 y la energa acumulada a travs del tiempo de las seales tipoI de 8,79 105eu.

Figura 4.14: Programa P4. Anlisis de las seales que han sido filtradas (tipo II).



Figura 4.15: Programa P5. Anlisis de las todas las seales (tipo I y tipo II).


Captulo 5

Resultados.

5.1. Resultados de la eficacia del filtrado.

En el desarrollo de este PFM, se ha observado que el filtrado de seales atravs del clculo de la media cuadrtica en ventanas temporales de las sealeses eficaz, pues elimina gran parte de las seales que no provienen de la fisuracindel hormign y que las consideramos ruido. An as hay ciertas seales continuas(tipo II) que pasan el filtrado, es decir se consideraran seales tipo I cuando enrealidad son del tipo II. Un ejemplo de este hecho se puede observar en la Figura5.1, representada con el programa P0. Esto se debe a que habra que profundizarms en la eleccin de los valores Ni usados para cada ventana.

Entre los objetivos de este PFM no se encontraba obtener los valore ptimosde Ni . Su bsqueda ser objeto de estudio en prximos proyectos y publicacionesdel grupo. De hecho estos programas creados en Matlab van a servir como punto departida de dicho estudio.

57

Energa de emisin acstica.

Figura 5.1: Seal de ruido no filtrada y considerada como tipo I.

En la Figura 5.1 se puede observar como la seal cuyo ndex es 384, que esuna seal de ruido, pasara equivocadamente las condiciones de filtrado:

RMS W1 > RMS W2 (5.1)RMS W1 > RMS W3 (5.2)RMS W3 > RMS W4 (5.3)

5.2. Energa de emisin acstica.

Para la representacin de la energa de las seales de EA y la aceleracin dela mesa ssmica, se cre otro software que representa la energa en distribucin yacumulada frente al tiempo (vanse las Figuras 5.2 y 5.3). Hay que destacar cmoaumenta la energa de EA en los momentos donde hay mayor aceleracin del sismo.En el ensayo se alcanz una aceleracin de pico de 0.18 g con una energa de EApuntual y acumulada de 2,98 105 y 5,61 106 eu, respectivamente. En un trabajoanterior [29], se comprob que la energa de EA es un buen indicador del dao en elHA ya que est fuertemente relacionada con la energa de deformacin plstica delhormign.


N de Hits acumulados y localizacin de emisin acstica.

Figura 5.2: Representacin de la energa de EA en distribucin y la aceleracinfrente al tiempo durante el ensayo ssmico Calitri-100 por los sensores VS30, paralas seales ya filtradas por el filtro implementado en este PFM.

Figura 5.3: Representacin de la energa de EA acumulada y la aceleracin frente altiempo durante el ensayo ssmico Calitri-100 por los sensores VS30, para las sealesya filtradas por el filtro implementado en este PFM.

5.3. N de Hits acumulados y localizacin de emi-sin acstica.

En la Figura 5.4 se presentan el nmero de hits de EA acumulados en cadasensor al final del ensayo Calitri-100, en el pilar P3 del espcimen. Se observa que elnmero de hits registrados en los sensores de los canales C7 y C8, es mucho mayoren los sensores de los canales C11 y C12. Como se ha comentado anteriormente, loshits provienen de fisuras que se han creado en el hormign como consecuencia del



movimiento ssmico. Se corrobora que donde mayor fisuracin se produce es cercade la posicin de los sensores de los canales C7 y C8, es decir, en la unin viga-pilar.

Figura 5.4: Nmero de hits acumulados para cada sensor, en el sismo Calitri 100,en la pilar P3.

Con el software creado tambin se puede representar la localizacin de loseventos de EA como muestran la Figuras 5.5 y 5.6. En ellas se puede observarcomo la mayor cantidad de energa de EA estuvo localizada entre los sensores S7y S8, donde se localiz tambin mayor nmero de eventos y donde posteriormentemacrofisur el hormign llegando a la rotura (en el nudo de unin entre el pilar y laviga).

Figura 5.5: Representacin de la energa de los distintos eventos localizados de lasseales de EA registradas durante el ensayo ssmico Calitri-100 por los sensoresVS30, para las seales ya filtradas por el filtro implementado en este PFM.



Figura 5.6: Representacin del nmero de eventos respecto de su localizacin delas seales de EA registra

filtrado rms emision acustica señales

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