Medición y evaluación de los efectos de las vibraciones en edificios - UNI 9916:2014 e ISO 4866:2010

En Italia, la norma UNI 9916:2014 se aplica en presencia de fuentes internas de excitación en edificios como plantas industriales, máquinas de producción o salas constantemente pobladas por personas. También se utiliza para fuentes externas, por ejemplo, turbinas, obras de construcción, tráfico de vehículos y tranvías, o aeropuertos.

En estas directrices sobre choques y vibraciones de edificios, los valores umbral especificados se refieren a fenómenos que generan, como máximo, daños estéticos pero no estructurales. La norma establece:

En general, los daños estructurales del edificio en su conjunto atribuibles a fenómenos vibratorios son extremadamente raros y casi siempre se derivan de otras causas. Para que las vibraciones causen daños estructurales, deben alcanzar niveles que primero provoquen irritabilidad y molestias a los ocupantes.

Por otro lado, son frecuentes otras formas de daño, definidas como "umbral", que, sin comprometer la seguridad estructural de los edificios, puede conducir a una reducción de su valor. El daño de umbral puede ocurrir en forma de grietas en el yeso, crecimiento de grietas existentes, daño a elementos arquitectónicos.

Examina los fenómenos vibratorios, ya sean generados por actividad antrópica o natural, de intensidad modesta como para producir a lo mucho daños "arquitectónicos". De hecho, los valores y metodologías simplificadas reportadas no son generalmente aplicables a los casos de aparición de "daños mayores". Para la valoración de los mismos, es necesario recurrir a investigaciones específicas de expertos. Por esta razón, los efectos de las vibraciones generadas por los terremotos están fuera del alcance de esta norma.

En este documento, veremos cómo puede implementar las medidas requeridas siguiendo UNI 9916:2014 utilizando los sistemas de adquisición Dewesoft DAQ y en el software de análisis DewesoftX.

Instrumentación

UNI 9916:2014 proporciona pautas de medición y enumera los requisitos generales para la configuración de la adquisición de datos de vibración con especial atención a:

Elección del transductor

La velocidad es la cantidad de referencia utilizada para definir los parámetros de evaluación de daños arquitectónicos. Si bien el uso de transductores de velocidad es la solución más rápida, no es del mismo modo la más precisa y practicable ya que estos sensores tienen límites en la respuesta espectral a bajas frecuencias. Recomendamos, por tanto, el uso de acelerómetros adecuados al contenido espectral que se analiza, cuya señal se integrará posteriormente para obtener la velocidad requerida por el estándar.

Conexión del transductor

Para saber cómo montar el sensor, recomendamos consultar la norma correspondiente (UNI ISO 5348), que especifica las ventajas y desventajas de cada método de montaje y la respectiva variación de la respuesta espectral del sensor. La tabla de la figura 1 muestra un extracto de la norma que acabamos de mencionar.

Ventajas y desventajas de cada técnica de montaje

For how to mount the sensor, we recommend viewing the relevant standard (UNI ISO 5348), which specifies the advantages and disadvantages of each mounting method and the respective variation of the spectral response of the sensor. The table in figure 1 shows an extract from the standard just mentioned.

⬤ Alto          ◑ Medio          ⭘ Bajo

Requisitos del sistema de adquisición:

• Adquisición con ADC de 16 o 24 bits;

• Filtro de paso alto a 0,5 Hz o menos dedicado a filtrar la señal de acondicionamiento del sensor;

• Frecuencia de muestreo no inferior a 250 Hz;

• Filtro anti alisamiento con frecuencia de corte no superior al valor de la frecuencia de muestreo dividido por 2,56;;

• SNR superior a 30 dB

• Adquisición simultánea y sincrónica de las señales que afectan al fenómeno a analizar

Calibración del sistema de medición:

• La calibración debe ser realizada periódicamente por un laboratorio certificado al menos una vez cada tres años. Sin embargo, antes de cada prueba, es necesario realizar una calibración simplificada en el campo del tipo de extremo a extremo, desde el sensor hasta el adquisidor de datos, con los mismos cables que se utilizarán para las medidas.

Dewesoft brinda diversas soluciones para la realización de estas pruebas gracias a las familias de adquisidores de datos: SIRIUS, KRYPTON e IOLITE. Como investigador, puede elegir el instrumento más adecuado para sus necesidades evaluando el número de canales, la portabilidad, la fuente de alimentación y el grado de protección ambiental.

Paralelamente a las mediciones de vibraciones, las soluciones de Dewesoft también permiten el registro simultáneo de cualquier otra cantidad física.

Para conocer todas las especificaciones técnicas de los sistemas de adquisición de datos de Dewesoft, visite las páginas de productos desde los enlaces anteriores.

El software de registro y análisis de datos juega un papel clave en las pruebas según UNI 9916:2014. El software DewesoftX le permite automatizar todo el procesamiento de señales y el cálculo de los índices requeridos sin dejar de dejar flexibilidad al usuario de un análisis posterior, teniendo siempre disponibles los historiales de tiempo.

Medición y Análisis

This section provides an example of data processing Esta sección proporciona un ejemplo de procesamiento de datos de acuerdo con las pautas proporcionadas por la norma UNI 9916:2014. Entre las diversas soluciones que ofrece Dewesoft para realizar el monitoreo de acuerdo a los requerimientos del estándar mencionamos por ejemplo:

• IOLITEi 3xMEMS-ACC Cadenas acelerométricas

• Transductores acelerométricos uniaxiales IEPE con DAQ Dewesoft KRYPTON-8xACC

Incluso antes de realizar las mediciones, es importante identificar la clase de edificio. La norma indica distintos valores umbral a considerar en función de esta clasificación y de la altitud elegida para el posicionamiento de los sensores.

Valores umbral para la velocidad de vibración p.c.p.v. [mm/s]

Para colocar los sensores en el edificio de la forma más adecuada para detectar las vibraciones impuestas por la fuente, la UNI 9916:2014 exige que se realicen adquisiciones triaxiales en cada punto elegido para el posicionamiento de los sensores. Si se considera relevante la adquisición de un único eje, se deberá justificar esta elección.

Las señales adquiridas aparecerán gráficamente con una interfaz similar a la que se propona a continuación.

Las historias de tiempo de los tres ejes del acelerómetro se enfocan en un evento vibracional particular para aplicar la primera fase de procesamiento en el dominio del tiempo.

La interfaz del software DewesoftX se puede configurar para proporcionar una vista clara de los 3 ejes de cada sensor, en este caso en dos columnas distintas. También puede resaltar gráficamente el período de mayor interés haciendo zoom.

Una vez que se ha identificado el evento vibratorio, se lleva a cabo el procesamiento inicial de la señal en el dominio del tiempo, que incluye:

• Filtrado de la señal utilizando un filtro IIR especial pasa altas

• Integrando la señal de aceleración para obtener la velocidad.

La figura 6 muestra los detalles de la interfaz con los parámetros de configuración del filtro paso alto aplicado a la señal original (Butterworth de 6° orden a 1 Hz) y el periodo de integración para obtener la señal en velocidad.

Aunque el filtrado de la señal de acondicionamiento del sensor se realiza a priori durante el proceso de adquisición, se considera una buena práctica realizar un filtrado adicional de baja frecuencia (por debajo de 1 Hz) antes de un proceso de integración en la fase de procesamiento posterior a la adquisición. El objetivo será evitar la componente continua residual por no restablecer el valor absoluto del sensor lo que provoca el aumento de una componente continua constante junto con toda la señal integrada.

Una vez obtenida la señal de velocidad, se pasa del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia empleando la FFT, cuyos parámetros serán elegidos por el experimentador y debidamente motivados en el informe final. A modo de ejemplo, a continuación se muestran los parámetros para el caso en cuestión:

Gracias a la flexibilidad y el potencial en tiempo real del software DewesoftX, es posible visualizar todas las matemáticas de interés ya en la fase de medición.

Teniendo el registro de historias temporales y datos crudos, el investigador, incluso en la fase de post-análisis, podrá reconsiderar los eventos individuales y actualizar los índices requeridos por la norma.

Las señales adquiridas y los cálculos realizados se pueden exportar en varios formatos con fines informativos.

Conclusión

Con los sistemas Dewesoft, es posible realizar pruebas según el estándar UNI 9916:2014 en pocos pasos gracias a la interfaz gráfica que guía al usuario y las matemáticas ya preconfiguradas.

La flexibilidad de la plataforma de adquisición permite registrar múltiples puntos al mismo tiempo, reduciendo drásticamente el tiempo de permanencia en el sitio y manteniendo una configuración lineal con cableado reducido al mínimo, en beneficio de la relación señal/ruido.

Paralelamente a las pruebas de percepción de perturbaciones, por ejemplo, también se pueden realizar pruebas de integridad estructural e impacto acústico.