Uncertainties in the modal estimation from output-only data in civil structures

Cualquier estructura vibra según unas frecuencias propias definidas por sus parámetros modales (frecuencias naturales, amortiguamientos y formas modales). A través de las mediciones de la vibración en puntos clave de la estructura, los parámetros modales pueden ser estimados. En estructuras civiles, es difícil excitar una estructura de manera controlada, por lo tanto, las técnicas que implican la estimación de los parámetros modales sólo registrando su respuesta son de vital importancia para este tipo de estructuras. Esta técnica se conoce como Análisis Modal Operacional (OMA). La técnica del OMA no necesita excitar artificialmente la estructura, atendiendo únicamente a su comportamiento en servicio. La motivación para llevar a cabo pruebas de OMA surge en el campo de la Ingeniería Civil, debido a que excitar artificialmente con éxito grandes estructuras no sólo resulta difícil y costoso, sino que puede incluso dañarse la estructura. Su importancia reside en que el comportamiento global de una estructura está directamente relacionado con sus parámetros modales, y cualquier variación de rigidez, masa o condiciones de apoyo, aunque sean locales, quedan reflejadas en los parámetros modales. Por lo tanto, esta identificación puede integrarse en un sistema de vigilancia de la integridad estructural. La principal dificultad para el uso de los parámetros modales estimados mediante OMA son las incertidumbres asociadas a este proceso de estimación. Existen incertidumbres en el valor de los parámetros modales asociadas al proceso de cálculo (internos) y también asociadas a la influencia de los factores ambientales (externas), como es la temperatura. Este Trabajo Fin de Máster analiza estas dos fuentes de incertidumbre. Es decir, en primer lugar, para una estructura de laboratorio, se estudian y cuantifican las incertidumbres asociadas al programa de OMA utilizado. En segundo lugar, para una estructura en servicio (una pasarela de banda tesa), se estudian tanto el efecto del programa OMA como la influencia del factor ambiental en la estimación de los parámetros modales. Más concretamente, se ha propuesto un método para hacer un seguimiento de las frecuencias naturales de un mismo modo. Este método incluye un modelo de regresión lineal múltiple que permite eliminar la influencia de estos agentes externos. A structure vibrates according to some of its vibration modes, defined by their modal parameters (natural frequencies, damping ratios and modal shapes). Through the measurements of the vibration at key points of the structure, the modal parameters can be estimated. In civil engineering structures, it is difficult to excite structures in a controlled manner, thus, techniques involving output-only modal estimation are of vital importance for these structure. This techniques are known as Operational Modal Analysis (OMA). The OMA technique does not need to excite artificially the structure, this considers its behavior in service only. The motivation for carrying out OMA tests arises in the area of Civil Engineering, because successfully artificially excite large structures is difficult and expensive. It also may even damage the structure. The main goal is that the global behavior of a structure is directly related to their modal parameters, and any variation of stiffness, mass or support conditions, although it is local, is also reflected in the modal parameters. Therefore, this identification may be within a Structural Health Monitoring system. The main difficulty for using the modal parameters estimated by an OMA is the uncertainties associated to this estimation process. Thus, there are uncertainties in the value of the modal parameters associated to the computing process (internal) and the influence of environmental factors (external), such as the temperature. This Master’s Thesis analyzes these two sources of uncertainties. That is, firstly, for a lab structure, the uncertainties associated to the OMA program used are studied and quantified. Secondly, for an in-service structure (a stress-ribbon footbridge), both the effect of the OMA program and the influence of environmental factor on the modal parameters estimation are studied. More concretely, a method to track natural frequencies of the same mode has been proposed. This method includes a multiple linear regression model that allows to remove the influence of these external agents.

Influencia del viento transversal en sistemas ferroviarios = Cross-wind effects on railway infrastructure

El viento, como factor medio-ambiental, ha sido objeto de numerosos estudios por los efectos que induce tanto en vehículos como en estructuras. Dentro del ámbito ferroviario, las cargas aerodinámicas debidas a la acción del viento transversal pueden poner en compromiso la seguridad de los vehículos en circulación, pudiendo llegar a ocasionar el vuelco del mismo. Incluso el sistema de cables encargado de realizar el suministro eléctrico necesario para la tracción del tren, conocido como catenaria, es sensible a la acción del viento. De hecho, al igual que ocurre en ciertas estructuras de cables, la interacción entre las fuerzas aerodinámicas no estacionarias y la catenaria puede ocasionar la aparición de oscilaciones de gran amplitud debido al fenómeno de galope. Una forma sencilla de reducir los efectos no deseados de la acción del viento, es la instalación de barreras cortavientos aguas arriba de la zona que se desea proteger. La instalación de estos dispositivos, reduce la velocidad en la estela generada, pero también modifica las propiedades del flujo dentro de la misma. Esta alteración de las condiciones del flujo puede contribuir a la aparición del fenómeno de galope en estructuras caracterizadas por su gran flexibilidad, como la catenaria ferroviaria. Estos dos efectos contrapuestos hacen evidente la importancia de mantener cierta visión global del efecto introducido por la instalación de barreras cortavientos en la plataforma ferroviaria. A lo largo de este documento, se evalúa desde un enfoque multidisciplinar el efecto inducido por las barreras cortavientos en varios subsistemas ferroviarios. Por un lado se analizan las mejoras en la estabilidad lateral del vehículo mediante una serie de ensayos en túnel de viento. La medición de la distribución de presiones en la superficie de un modelo bidimensional de vehículo ferroviario proporciona una buena estimación del nivel de protección que se consigue en función de la altura de una barrera cortavientos. Por otra parte, se analiza la influencia del mismo juego de barreras cortavientos en las características del flujo situado sobre la plataforma ferroviaria, mediante la utilización de anemometría de hilo caliente (HWA) y velocimetría de imágenes de párticulas (PIV). En particular se centra la atención en las características en la posición correspondiente a los hilos conductores de la catenaria. En la última parte del documento, se realiza un análisis simplificado de la aparición oscilaciones en la catenaria, por el efecto de la inestabilidad de galope. La información obtenida sobre las características del flujo se combinan con las propiedades aerodinámicas del hilo de contacto, obtenidas en mediante una serie de ensayos en túnel de viento. De esta manera se realiza una evaluación del riesgo a la aparición de este tipo de inestabilidad aeroeslástica aplicada a una catenaria ferroviaria situada sobre un viaducto tipo. ABSTRACT Wind as an environmental factor may induce undesirable effects on vehicles and structures. The analysis of those effects has caught the attention of several researchers. Concerning the railway system, cross-wind induces aerodynamic loads on rolling stock that may increase the overturning risk of the vehicle, threatening its safe operation. Even the cable system responsible to provide the electric current required for the train traction, known as the railway overhead or catenary, is sensitive to the wind action. In fact, the interaction between the unsteady aerodynamic forces and the railway overhead may trigger the development of undamped oscillations due to galloping phenomena. The inclusion of windbreaks upstream the area that needs wind protection is a simple mean to palliate the undesirable effects caused by the wind action. Although the presence of this wind protection devices reduces the wind speed downstream, they also modify the flow properties inside their wake. This modification on the flow characteristics may ease the apparition of the galloping phenomena on flexible structures, such as the railway overhead. This two opposite effects require to maintain a global perspective on the analysis of the influence of the windbreak presence. In the present document, a multidisciplinary analysis on the effect induced by windbreaks on several railways subsystems is conducted. On the one hand, a set of wind tunnel tests is conducted to assess the improvement on the rolling stock lateral stability. The qualitative estimation of the shelter effect, as function of the windbreak height, is established through the pressure distribution measured on the surface of a two-dimensional train model. On the other hand, the flow properties above the railway platform are assessed using the same set of windbreaks. Two experimental techniques are used to measure the flow properties, hot-wire anemometry (HWA) and particle image velocimetry (PIV). In particular, the attention is focused on the flow characteristics on the contact wire location. A simplified analysis on the catenary oscillations due to galloping phenomena is conducted in the last part of the document. Both, the flow characterization performed via PIV and the aerodynamic properties of the contact wire cross-section are combined. In this manner, the risk of the aeroelastic instabilities on a railway overhead placed on a railway bridge is assessed through a practical application.

Caracterización geométrica y lumínica de los atrios incorporados en los edificios de Santiago de Chile

El atrio incorporado en los edificios ha sido un recurso espacial que tempranamente se difundió a nivel global, siendo adoptado por las distintas arquitecturas locales en gran parte del mundo. Su masificación estuvo favorecida primero por la rápida evolución de la tecnología del acero y el vidrio, a partir del siglo XIX, y en segundo termino por el posterior desarrollo del hormigón armado. Otro aspecto que explica tal aceptación en la arquitectura contemporánea, es de orden social y radica en la llamativa cavidad del espacio describiendo grandes dimensiones y favoreciendo con ello, el desarrollo de una multiplicidad de usos en su interior que antes eran impensados. Al interior del atrio, la luz natural es clave en las múltiples vivencias que alberga y sea tal vez la condición ambiental más valorada, ya que entrega una sensación de bienestar al conectarnos visualmente con el ambiente natural. Por esta razón de acuerdo al método hipotético deductivo, se evaluaron los efectos de la configuración geométrica, la cubierta y la orientación en el desempeño de la iluminación natural en la planta baja, a partir un modelo extraído desde el inventario de los edificios atrio construidos en Santiago de Chile, en los últimos 30 años que fue desarrollado en el capitulo 2. El análisis cuantitativo de los edificios inventariados se elaboró en el capítulo 3, considerando las dimensiones de los atrios. Simultáneamente fueron clasificados los aspectos constructivos, los materiales y las características del ambiente interior de cada edificio. En esta etapa además, fueron identificadas las variables de estudio de las proporciones geométricas de la cavidad del atrio con los coeficientes de aspecto de las proporciones, en planta (PAR), en corte (SAR) y de la cavidad según (WI), (AR) y (RI). Del análisis de todos estos parámetros se extrajo el modelo de prueba. El enfoque del estudio del capítulo 4 fue la iluminación natural, se revisaron los conceptos y el comportamiento en el atrio, a partir de un modelo físico construido a escala para registro de la iluminancia bajo cielo soleado de la ciudad. Más adelante se construyó el modelo en ambiente virtual, relacionando las variables determinadas por la geometría de la cavidad y el cerramiento superior; examinándose de esta manera distintas transparencias, proporciones de apertura, en definitiva se evaluó un progresivo cerramiento de las aberturas, verificando el ingreso de la luz y disponibilidad a nivel de piso con la finalidad, de proveer lineamientos útiles en una primera etapa del diseño arquitectónico. Para el análisis de la iluminación natural se revisaron diferentes métodos de cálculo con el propósito de evaluar los niveles de iluminancia en un plano horizontal al interior del atrio. El primero de ellos fue el Factor de Luz Día (FLD) que corresponde, a la proporción de la iluminancia en un punto de evaluación interior respecto, la cantidad proveniente del exterior bajo cielo nublado, a partir de la cual se obtuvo resultados que revelaron la alta luminosidad del cielo nublado de la ciudad. Además fueron evaluadas las recientes métricas dinámicas que dan cuenta, de la cantidad de horas en las cuales de acuerdo a los extensos registros meteorológico de la ciudad, permitieron obtener el porcentajes de horas dentro de las cuales se cumplió el estándar de iluminancia requerido, llamado autonomía lumínica (DA) o mejor aún se permanece dentro de un rango de comodidad visual en el interior del atrio referido a la iluminancia diurna útil (UDI). En el Capítulo 5 se exponen los criterios aplicados al modelo de estudio y cada una de las variantes de análisis, además se profundizó en los antecedentes y procedencia de las fuentes de los registros climáticos utilizados en las simulaciones llevadas a cabo en el programa Daysim operado por Radiance. Que permitieron evaluar el desempeño lumínico y la precisión, de cada uno de los resultados para comprobar la disponibilidad de iluminación natural a través de una matriz. En una etapa posterior se discutieron los resultados, mediante la comparación de los datos logrados según cada una de las metodologías de simulación aplicada. Finalmente se expusieron las conclusiones y futuras lineas de trabajo, las primeras respecto el dominio del atrio de cuatro caras, la incidencia del control de cerramiento de la cubierta y la relación establecida con la altura; indicando en lo específico que las mediciones de iluminancia bajo el cielo soleado de verano, permitieron aclarar, el uso de la herramienta de simulación y método basado en el clima local, que debido a su reciente desarrollo, orienta a futuras líneas de trabajo profundizando en la evaluación dinámica de la iluminancia contrastado con monitorización de casos. ABSTRACT Atriums incorporated into buildings have been a spatial resource that quickly spread throughout the globe, being adopted by several local architecture methods in several places. Their widespread increase was highly favored, in the first place, with the rapid evolution of steel and glass technologies since the nineteen century, and, in second place, by the following development of reinforced concrete. Another issue that explains this success into contemporary architecture is associated with the social approach, and it resides in the impressive cavity that describes vast dimensions, allowing the development of multiple uses in its interior that had never been considered before. Inside the atrium, daylight it is a key element in the many experiences that involves and it is possibly the most relevant environmental factor, since it radiates a feeling of well-being by uniting us visually with the natural environment. It is because of this reason that, following the hypothetical deductive method, the effects in the performance of daylight on the floor plan were evaluated considering the geometric configuration, the deck and orientation factors. This study was based in a model withdrawn from the inventory of atrium buildings that were constructed in Santiago de Chile during the past thirty years, which will be explained later in chapter 2. The quantitative analysis of the inventory of those buildings was elaborated in chapter 3, considering the dimensions of the atriums. Simultaneously, several features such as construction aspects, materials and environmental qualities were identified inside of each building. At this stage, it were identified the variables of the geometric proportions of the atrium’s cavity with the plan aspect ratio of proportions in first plan (PAR), in section (SAR) and cavity according to well index (WI), aspect ratio (AR) and room index (RI). An experimental model was obtained from the analysis of all the mentioned parameters. The main focus of the study developed in chapter 4 is daylight. The atrium’s concept and behavior were analyzed from a physical model built under scale to register the illuminances under clear, sunny sky of the city. Later on, this physical model was built in a virtual environment, connecting the variables determined by the geometry of the cavity and the superior enclosure, allowing the examination of transparencies and opening proportions. To summarize, this stage consisted on evaluating a progressive enclosure of the openings, checking the access of natural light and its availability at the atrium floor, in an effort to provide useful guidelines during the first stage of the architectural design. For the analysis of natural lighting, several calculations methods were used in order to determine the levels of illuminances in a horizontal plane inside of the atrium. The first of these methods is the Daylight Factor (DF), which consists in the proportion of light in an evaluation interior place with the amount of light coming from the outside in a cloudy day. Results determined that the cloudy sky of the city has high levels of luminosity. In addition, the recent dynamic metrics were evaluated which reflects the hours quantity. According to the meteorological records of the city’s climate, the standard of illuminance- a standard measure called Daylight Autonomy (DA) – was met. This is even better when the results stay in the line of visual convenience within the atrium, which is referred to as Useful Daylight Illuminance (UDI). In chapter 5, it was presented the criteria applied to the study model and on each of the variants of the analysis. Moreover, the information of the climate records used for the simulations - carried out in the Daysim program managed by Radiance – are detailed. These simulations allowed the observation of the daylight performance and the accuracy of each of the results to confirm the availability of natural light through a matrix. In a later stage, the results were discussed comparing the collected data in each of the methods of simulation used. Finally, conclusions and further discussion are presented. Overall, the four side atrium’s domain and the effect of the control of the cover’s enclosure. Specifically, the measurements of the daylight under summer’s clear, sunny sky allowing clarifying the use of the simulation tool and the method based on the local climate. This method allows defining new and future lines of work deepening on the dynamic of the light in contrast with the monitoring of the cases.

E-comparisons: A new approach to round robin tests for environmental noise assessment in transport infrastructures

The increasing importance of pollutant noise has led to the creation of many new noise testing laboratories in recent years. For this reason and due to the legal implications that noise reporting may have, it is necessary to create procedures intended to guarantee the quality of the testing and its results. For instance, the ISO/IEC standard 17025:2005 specifies general requirements for the competence of testing laboratories. In this standard, interlaboratory comparisons are one of the main measures that must be applied to guarantee the quality of laboratories when applying specific methodologies for testing. In the specific case of environmental noise, round robin tests are usually difficult to design, as it is difficult to find scenarios that can be available and controlled while the participants carry out the measurements. Monitoring and controlling the factors that can influence the measurements (source emissions, propagation, background noise…) is not usually affordable, so the most extended solution is to create very effortless scenarios, where most of the factors that can have an influence on the results are excluded (sampling, processing of results, background noise, source detection…) The new approach described in this paper only requires the organizer to make actual measurements (or prepare virtual ones). Applying and interpreting a common reference document (standard, regulation…), the participants must analyze these input data independently to provide the results, which will be compared among the participants. The measurement costs are severely reduced for the participants, there is no need to monitor the scenario conditions, and almost any relevant factor can be included in this methodology

Human Factor in Resilience Systems

This paper shows the importance of a holistic comprehension of the Earth as a living planet, where man inhabits and is exposed to environmental incidences of different nature. The aim of the paper here summarized is a reflection on all these concepts and scientific considerations related to the important role of men in the handling of natural hazards. Our Planet is an unstable and dynamical system highly sensitive to initial conditions, as proposed by Chaos theory (González-Miranda 2004); it is a complex organic whole, which responds to minimal variations which can affect several natural phenomena such as plate tectonics, solar flares, fluid turbulences, landscape formation, forest fires, growth and migration of populations and biological evolution. This is known as the “butterfly effect” (Lorenz 1972), which means that a small change of the system causes a chain of events leading to large-scale unpredictable consequences. The aim of this work is dwelling on the importance of the knowledge of these natural and catastrophic geological, biological and human systems so much sensible to equilibrium conditions, to prevent, avoid and mend their effects, and to face them in a resilient way