DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN MODULO PARA LA EXCITACIÓN DINAMICA Y ANALISIS VIBRACIONAL DE ESTRUCTURAS Ing. Avid Román González

CONTENIDO CAP I: INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES Planteamiento Del Problema Objetivos Generales Y Específicos Diagrama de Bloques CAP II: EXCITADOR DE MASA EXCÉNTRICA Análisis i Teórico Diseño Y Construcción CAP III: INSTRUMENTACIÓN Equipo de Adquisición de Datos CAP IV: ALGORITMOS DE CARACTERIZACIÓN Y CONTROL Diagrama de Flujo General Algoritmos CAP V: PROTOCOLO DE PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS CONCLUSIONES

GENERALIDADES PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA : Sabiendo que el Perú se encuentra en una zona altamente sísmica, se hace necesaria la determinación de las características dinámicas de las estructuras de construcción civil. En la actualidad se cuenta con el método analítico, simulación mediante software y el método practico a pequeña escala. Sin embargo no se cuenta con un método experimental y practico para analizar las estructuras a escala real,, es por ello que se propone mediante el presente trabajo el diseño y construcción de un módulo que produzca y mida la vibración en construcciones civiles a escala real para poder determinar sus características dinámicas de forma experimental.

OBJETIVOS: Diseñar y construir un modulo para producir y medir vibración en las estructuras de construcción civil a escala real. Realizar un estudio de viabilidad del diseño, construcción y uso de excitadores de vibración. Implementar la instrumentación de ensayos dinámicos en base a acelerómetros disponibles en nuestra Universidad, específicamente en el Instituto de Investigación Universidad Región (IIUR). Diseñar y construir el hardware de un sistema de adquisición de datos y control para poder acceder a los datos que los acelerómetros proporcionan.

Desarrollar los algoritmos necesarios para la medición ió precisa de la frecuencia, filtrado de ruido (introducido por el variador). Análisis i de la vibración ió global l en el dominio i del tiempo y dominio de la frecuencia, considerando variables de influencia como son la velocidad vibratoria y aceleración vibratoria. Desde el punto de vista del análisis estructural, brindar al especialista los parámetros que le permitan tomar decisiones y evaluar la estructura bajo prueba. Proponer el prototipo a los especialistas, como metodología alternativa para evaluar el riesgo sísmico de las construcciones de manera experimental y a escala real.

DIAGRAMA DE BLOQUES:

EXCITADOR DE MASA EXCENTRICA Fig. Vibrador de masa excéntrica omnidireccional

Fig. Vibrador de Masa Excéntrica Unidireccional p( t) = ( m eω ) sinωt e

Fig. Grafico de Amplitud VS Frecuencia

DISEÑO Y CONSTRUCCION: F = ( m eω ω e ) sin t Se desea una fuerza máxima aproximada de 00 N, si consideramos una excentricidad de 0 cm, entonces tenemos: e = 0. metros m e =? ω = πf f = 4 Hz 00 = m e ( me * 0.* ( π 4) = 9 Kg )

R := 0.6 r := 0.03 Xcr := π 3 π 3 r 3 cos ( θ) 3 dθ XcR = 0.088 m XcR := π 3 π 3 π 3 π 3 R 3 cos ( θ) 3 R dθ := π R XcR π r Xcr π e := 3 r π R π r π 3 d θ Xcr = 0.07 m e = 0.09 m dθ

La fuerza calculada con los nuevos valores es: 47 N Como sabemos: F = ( m eω ) sinωt e Grafica con una variación en la frecuencia: Ft () 0 000 0 5 0 5 0 5 30 t f() t 0 000 0 0 0 30 40 50 60 t

Modulo de Excitación Dinámica

FOTOGRAFIAS

INSTRUMENTACION Se utiliza un transformador de 0/5 0 5 V, juntamente con 4 diodos, así como reguladores de 5, y - Voltios, para la fuente. Se diseño un amplificador con un filtro pasa bajo con una frecuencia de corte de 0 Hz. Sabemos que: F C = πrc Entonces si consideramos un condensador de 0 nf: 0 = 9 πr0* 0 R = 7. 34 KΩ Aproximándonos a un valor comercial de R tenemos R=68K

U3 LM7805C/TO0 3 U7 LM78C/TO0 3 D5 D3 R JP 3 4 R3 C 000uF 3 IN OUT GND C6 CAP NP LM74 4 5 C3 CAP NP U4 3 4 5 6 GND NC VRF- COMP C5 CAP NP 3 IN OUT GND N4007 N4007 C4 00n R k.k D4 N4007 HEADER 4 0k C 000uF C 0.33uF C3 0uF R0 5k D N4007 C7 0.uF + - U5 3 6 7 DAC0808 7 6 5 4 9 0 3 3 4 8 A3 A A IO A5 A6 A7 A8 GND VCC VEE VRF+ VRF A4 C0 0uF U9 LM79C/TO0 3 IN OUT GND 000uF C8 0.uF R7 68k C U3 74LS64 7 4 8 3 4 5 6 0 3 9 GND VCC A B CLK QA QB QC QD QE QF QG QH CLR R5 3.3k + - U0D TL084 3 4 CONNECTOR DB5 3 5 4 0nF U3 0 6 7 8 9 0 3 4 VCC REFIN BPO D0 D D D3 D4 D5 VIN VIN + - U0C TL084 0 9 8 4 J3 CON R9 50 R8 k R3 50 - U0A TL084 R 0k 4 8 0 7 9 6 8 5 7 4 6 3 AD674 8 5 8 3 4 5 6 7 3 4 5 6 7 REFOUT AGND GND STS D5 D6 D7 D8 D9 D0 D /8 CS A0 R/C CE +VCC VEE + - 3 4 P 3 5 4 3 0 9 9 5 Tarjeta de Adquisición de Datos

Fotografía a Diseño de la Placa Impresa

ALGORITMOS

Diagrama de Flujo:

Filtrado de la Señal: Para calcular los coeficientes del filtro, se utilizan las herramientas de Matlab. Llamamos a la función butter especificando el orden del filtro, las frecuencias de corte del filtro (55 y 65 Hz), y el tipo de filtro ( stop = rechazo) de la siguiente manera: [b a]=butter(,[55/50,65/50],'stop'); ] p) b = 0.950 -.673.673 -.673 0.950 a=0000 =.0000 -.79 3.775 -.5543 0.837 La ecuación en diferencias es: y[n]= 0.950*x[n]-.673x*[n-]+.673*x[n-] ] -.673*x[n-3]+ 3]+ 0.950*x[n-4] 4]-+.79*y[n-] ]- 3.775*y[n-]+ ]+.5543*y[n-3] 3]- 0.837*y[n-4]

PROTOCOLO DE PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS Primero se fija el excitador al piso Luego se programa a el variador ado de velocidad para a producir las rampas

Se instalo acelerómetros Bruel&Kjaer en la pared del laboratorio Parámetros De La Adquisición De Datos Frecuencia de muestreo fs=500hz Resolución de la conversión: bits Rango de voltaje del convertidor A/D: +-a 5V Configuración del amplificador de carga: Sensibilidad: pc/ms- Ganancia: 0.36 Voltios/ ms- Frecuencia de corte filtro pasaalto: 0. Hz Frecuencia de corte filtro pasabajo: 00 Hz

RESULTADOS Aceleración rms (m/s) Prueba 0-70 Hz Frecuencia con el pico mas alto encontrado (Hz) 0.865 m/s 37 3.7 Hz

Prueba 0-74 Hz Aceleración rms Frecuencia con el pico mas alto (m/s) encontrado (Hz) 0.869 m/s 3.69 Hz

Prueba 3 0-80 Hz Aceleración rms Frecuencia con el pico mas alto (m/s) encontrado (Hz) 0.87 m/s 3.7 Hz

Resultados de los ensayos Nº Barrido de Frecuencia (Hz) Aceleración RMS (m/s ) Frecuencia con el pico mas alto encontrado (Hz) 0-70 Hz 0.865 m/s 3.7 Hz 0-74 Hz 0.869 m/s 3.69 Hz 3 0-80 Hz 0.87 m/s 37 3.7 Hz 4 0-60 Hz 0.757 m/s 3.34 Hz 5 0-70 Hz 0.776 m/s 3.45 Hz 6 0-75 Hz 0.805 m/s 3.39 HZ 7 0-80 Hz 0.845 m/s 3.46 Hz PROMEDIO 0.87 m/s 354 3.54 Hz

CONCLUSIONES: Se logro construir un modulo electrónico para producir y medir vibraciones en las estructuras de construcción civil a escala real. El Excitador de Masa Excéntrica produce la fuerza necesaria para poder excitar a la estructura con una señal de entrada, por lo tanto es viable la construcción de Excitadores de Vibración. La respuesta de la estructura a la excitación producida por el Excitador de Masa Excéntrica tiene un pico en la frecuencia de 3.6 Hz, la cual coincide en todas las pruebas realizadas. A pesar de tener un filtro pasa bajo implementado en la Tarjeta de Adquisición de Datos, la señal de 60Hz se introduce dentro de los datos.

Las frecuencias naturales de las estructuras siempre están a bajas frecuencias. Para obtener mejores resultados, el acelerómetro debe ser fijado a la pared de la mejor manera posible y así evitar datos falsos que nos lleven a cometer error en el calculo.