scieee AI-readable full text Open interactive document viewer

Updating models of finite elements by modal operational analysis and genetic algorithms. Application to architectural heritage built

Chaves, Estefanía A.; Pachón García, Pablo; Compán Cardiel, Víctor Jesús; Baeza Álvarez, Juan Ramón

Abstract

The use of Operational Modal Analysis is establishing as an acceptable tool to estimate the dynamic properties of heritage buildings as a non‐destructive technique. Through its application, mechanical properties of structural elements, as stiffness or mass, can be obtained with great accuracy. The information obtained can be used to update finite element models, however this process is complicated due to presently it is made manually. This work wants to develop a technique which expects improve the effort and the time invert in this process. The genetic algorithms are going to be used to update tow finite element models of tow patrimonial buildings, the Pavilion of Charles V and the San Jeronimo Monastery both located in Seville, in which variables like elasticity module or boundary conditions are going to be updating in order to have a real behaviour model to carry out the structural assessment of the buildings.

Full text

CMMoST 2017 UPDATING MODELS OF FINITE ELEMENTS BY MODAL OPERATIONAL ANALYSIS AND GENETIC ALGORITHMS. APPLICATION TO ARCHITECTURAL HERITAGE BUILT EstefaníaA.Chaves1,PabloPachón2,VíctorCompán3,J.RamónBaeza4 1GerenciadeingenieríayEdificación,DepartamentodeEstructuras.Tragsatec(España). [email protected]s 2Dpto.deEstructurasdeEdificacióneIngenieríadelTerreno.UniversidaddeSevilla(España).[email protected] 3Dpto.deEstructurasdeEdificacióneIngenieríadelTerreno.UniversidaddeSevilla(España).[email protected] 4Dpto.deConstruccionesArquitectónicasII.UniversidaddeSevilla(España).jb[email protected] ABSTRACT TheuseofOperationalModalAnalysisisestablishingasanacceptabletooltoestimatethedynamic propertiesofheritagebuildingsasanon‐destructivetechnique.Throughitsapplication,mechanical properties of structural elements, as stiffness or mass, can be obtained with great accuracy. The informationobtainedcanbeusedtoupdatefiniteelementmodels,howeverthisprocessiscomplicated duetopresentlyitismademanually.Thisworkwantstodevelopatechniquewhichexpectsimprove theeffortandthetimeinvertinthisprocess. Thegeneticalgorithmsaregoingtobeusedtoupdatetowfiniteelementmodelsoftowpatrimonial buildings,thePavilionofCharlesVandtheSanJeronimoMonasterybothlocatedinSeville,inwhich variableslikeelasticitymoduleorboundaryconditionsaregoingtobeupdatinginordertohaveareal behaviourmodeltocarryoutthestructuralassessmentofthebuildings. Keywords:OMA,FEM,updating,algorithms,heritage 1. INTRODUCCIÓN Hoy en día la preservación del patrimonio arquitectónico es una cuestión de relevante interés en nuestrasociedad,porloqueesimprescindiblequeelestadodesusestructurasseaóptimo.Paraello hayquerealizaranálisisestructuralesadecuadosyasípodercontarconinformaciónfiablequenos ayudeaestablecerlosdistintosplanesdeconservaciónorehabilitación[1].Elestudiodeestetipode edificacionespresentaungrandesafíodebidoaqueconllevaelanálisisdenumerosasvariables,las cualespresentanunelevadogradodeincertidumbre[2]. Laimportanciadeestasedificaciones,yelestadoenelquealgunasseencuentran,haceinviableeluso detécnicasinvasivasparallevaracaboelanálisisestructural.Actualmenteseestádesarrollandouna técnicabasadaenelempleodelarespuestadinámicaquepresentalaestructuraantelavibración ambiental.Hablamosdelanálisismodaloperacional[03,cap.6],unatécnicanodestructivamediante la que obtenemos las propiedades dinámicas reales de la estructura, las cuales dependen de parámetroscomolamasa,larigidezylacapacidaddedisipacióndeenergía. 679 CMMoST 2017 Updating models of finite elements by modal operational analysis and genetic algorithms. Application to architectural heritage built Fourth International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering Madrid (Spain). 29 nov-01 dec 2017. Hoyendíaexistennumerosasaplicacionesparaestatécnicadentrodelcampodelasestructuras.Una delasmásimportanteseslarealizacióndemodelosnuméricosenbasealainformaciónobtenidacon estemétodo.Enestecasosevaatrabajarconalgoritmosdetipogenético[4]paralaoptimizacióndel errorentrelosvaloresrealesylosvaloresnuméricos. Paraaplicarlametodologíasehanelegidodosedificiosdegranvalorpatrimonialconpeculiaridades concretas que los hacen interesantes para este tipo de estudio. En primer lugar, contamos con el CenadordeCarlosV[5],queseencuentraubicadoenelAlcázardeSevillaysecaracterizaporserun edificioexentoqueestáconstituidoporelementosconpropiedadesdinámicasmuydiferentes. Porotrolado,vamosatrabajarconelclaustrodelMonasteriodeSanJerónimo[6],ubicadotambiénen Sevilla.Deesteedificiosehatomadounfragmentodeunadelascuatrocrujíasqueformanpartedel claustro.Enestecasocontaremosconunapiezamonolíticadondelascondicionesdecontornoserán elobjetoprincipaldeanálisis. 2. METODOLOGÍA  2.1. Modelodeelementosfinitos Unavezanalizadoconstructivamenteeledificiocasodeestudiosedesarrollaelmodelonuméricode elementosfinitos.Paraellosemodelizalageometríaylosvolúmenessegúnlosdiferentesmaterialesy seintroduceenelprogramaICEMdondeserealizalamalla[7]. 2.2. Análisismodaloperacional 2.2.1. Planificacióndelacampañaexperimental Unabuenaprácticaesrealizarunprimeranálisisdelcomportamientodinámicodelaestructurapara obtenerinformaciónsobrelasformasmodalesycuálessonlospuntosqueaportaránmásinformación enlamedición.Enbaseaellossedefinenlospuntosamedirycuálessonlospuntosdereferenciamás adecuadosparapoderunirlasdiversasmediciones. 2.2.2. Tomadedatos Elequipodemediciónquesehaempleadoestácompuestoporunsistemadeadquisicióndedatos, modeloGranitededocecanales,delacompañíaKinemetrics,yporacelerómetrosdefuerzabalanceada caracterizadosporposeerunsistemademasa‐resorteque,bajoexcitación,transformanlaaceleración enunaseñaldiferencialeléctricaproporcional. Unparámetroimportantequedefiniresladuracióndecadamedidayaquedeellodependeobtener informaciónsuficienteyqueestaseafiable.Paralarealizacióndelascampañasdenuestroscasosde estudioeltiempodefinidoparacadamediciónseestimasuficienteen12minutos[8]. 2.2.3. Tratamientodedatos Losdatosobtenidossehandeanalizaryfiltrar,enestecasosehaprogramadoesteprocesoconMatlab, para obtenerlo de manera más automática. Lo datos tratados se analizan con Artemis, que es el 680 CMMoST 2017 Updating models of finite elements by modal operational analysis and genetic algorithms. Application to architectural heritage built Fourth International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering Madrid (Spain). 29 nov-01 dec 2017. Hoyendíaexistennumerosasaplicacionesparaestatécnicadentrodelcampodelasestructuras.Una delasmásimportanteseslarealizacióndemodelosnuméricosenbasealainformaciónobtenidacon estemétodo.Enestecasosevaatrabajarconalgoritmosdetipogenético[4]paralaoptimizacióndel errorentrelosvaloresrealesylosvaloresnuméricos. Paraaplicarlametodologíasehanelegidodosedificiosdegranvalorpatrimonialconpeculiaridades concretas que los hacen interesantes para este tipo de estudio. En primer lugar, contamos con el CenadordeCarlosV[5],queseencuentraubicadoenelAlcázardeSevillaysecaracterizaporserun edificioexentoqueestáconstituidoporelementosconpropiedadesdinámicasmuydiferentes. Porotrolado,vamosatrabajarconelclaustrodelMonasteriodeSanJerónimo[6],ubicadotambiénen Sevilla.Deesteedificiosehatomadounfragmentodeunadelascuatrocrujíasqueformanpartedel claustro.Enestecasocontaremosconunapiezamonolíticadondelascondicionesdecontornoserán elobjetoprincipaldeanálisis. 2. METODOLOGÍA  2.1. Modelodeelementosfinitos Unavezanalizadoconstructivamenteeledificiocasodeestudiosedesarrollaelmodelonuméricode elementosfinitos.Paraellosemodelizalageometríaylosvolúmenessegúnlosdiferentesmaterialesy seintroduceenelprogramaICEMdondeserealizalamalla[7]. 2.2. Análisismodaloperacional 2.2.1. Planificacióndelacampañaexperimental Unabuenaprácticaesrealizarunprimeranálisisdelcomportamientodinámicodelaestructurapara obtenerinformaciónsobrelasformasmodalesycuálessonlospuntosqueaportaránmásinformación enlamedición.Enbaseaellossedefinenlospuntosamedirycuálessonlospuntosdereferenciamás adecuadosparapoderunirlasdiversasmediciones. 2.2.2. Tomadedatos Elequipodemediciónquesehaempleadoestácompuestoporunsistemadeadquisicióndedatos, modeloGranitededocecanales,delacompañíaKinemetrics,yporacelerómetrosdefuerzabalanceada caracterizadosporposeerunsistemademasa‐resorteque,bajoexcitación,transformanlaaceleración enunaseñaldiferencialeléctricaproporcional. Unparámetroimportantequedefiniresladuracióndecadamedidayaquedeellodependeobtener informaciónsuficienteyqueestaseafiable.Paralarealizacióndelascampañasdenuestroscasosde estudioeltiempodefinidoparacadamediciónseestimasuficienteen12minutos[8]. 2.2.3. Tratamientodedatos Losdatosobtenidossehandeanalizaryfiltrar,enestecasosehaprogramadoesteprocesoconMatlab, para obtenerlo de manera más automática. Lo datos tratados se analizan con Artemis, que es el Estefanía A. Chaves, Pablo Pachón, Víctor Compán, J. Ramón Baeza programaqueusamosparalaidentificaciónmodal.Esteprogramatraeimplementadovariosmétodos, ennuestrocasoaplicaremoslosdosquepresentanresultadosmásfiablesyqueactualmentesonlos másdestacadosenestecampodelainvestigaciónparaelrangodefrecuenciasenelquetrabajamos. Enprimerlugar,vamosautilizarelmétododedescomposiciónmejoradaeneldominiodelafrecuencia, EFDD[9].EsteestablecelosparámetrosmodalesmediantelaaplicacióndelatransformadadeFourier. Enestecasoelprogramaanalizalospicosdelagráfica,yaqueestossonlosquenosdaránlosvalores delasfrecuenciasdecadamodo.Porotrolado,tenemoselmétododeidentificaciónenelsubespacio estocástico(SSI)[10]quesediferenciadelanteriorporqueserealizalaidentificacióneneldominiodel tiempo. LavalidacióndeestosmétodosserealizamedianteelModalAssuranceCriterion(MAC)Eq.(1),proceso conelquesecomparanlosdesplazamientosmodalesqueidentificanlosdosmodos,demaneraquesi lacorrelaciónesperfectaobtendremosunvalor1,mientrasque,sinoexistecorrelación,cosaque ocurrecuandolosdesplazamientossonperpendiculares,elvalorescero. ܯܣܥሺߩ௔ǡߩ௕ሻൌ൜ ሺఘೌǡ ೟ఘ್ሻ; ൫ఘೌ ೟ǡఘೌ൯ሺఘ್ ೟ǡఘ್ሻൠ (1) Tras estos procedimientos tendremos ya la información modal correspondiente a las frecuencias, formasmodalesyamortiguamientosrealesdelaestructuraanalizadaqueseusarápararealizarla actualizacióndelmodelodeelementosfinitos. 2.3. Actualizacióndelmodelodeelementosfinitos Esnecesarioestablecercuálessonlasvariablesquemásinfluyensobrelosresultadosdelcálculo.Para elloserealizaunajustemanualparaobtenerunabaseparalaactualizaciónautomática. Paralaactualizaciónautomáticahayquedeterminarquéinformaciónmodaldelacampañavamosa utilizarycuálesvanaserlasvariables.Además,sehadeestablecerunrangodentrodelcualsevana encontrarlosposiblesvaloresdeestosparámetrosdeactualización. Paraactualizarelmodeloseestablecelafunciónobjetivo,queeslaquedefineelerrorqueexisteentre losvaloresexperimentalesyreales,yparaelloseusaelmétododemínimoscuadradosEq.(2)[11]. ݕൌሺ ݂ ܨܧܯ²െ ݂ ݁ݔ݌;Ȁ ݂ ݁ݔ݌;ሻ;(2)  2.3.1. Algoritmogenético Enestetrabajosehaoptadoporunmétododeoptimizaciónbasadoenalgoritmosgenéticos[4].Estos algoritmos hacen evolucionar una población de individuos sometiéndola a acciones aleatorias semejantesalasqueactúanenlaevoluciónbiológicacomocrucesycombinacionesgenéticas,asícomo tambiénaunaseleccióndeacuerdoconalgúncriterio,enfuncióndelcualsedecidecuálessonlos individuosmásadaptados.Enestecasohemosusadolaherramientadeoptimizacióndelprograma Matlabparadesarrollarloscálculos[12]. Uno de los conceptos base a definir es el número de individuos queformanlapoblaciónen cada generación.Esimportantedefinirbienesteparámetroyaquemientrasmayorseaeltamañodela 681 CMMoST 2017 Updating models of finite elements by modal operational analysis and genetic algorithms. Application to architectural heritage built Fourth International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering Madrid (Spain). 29 nov-01 dec 2017. población,elalgoritmopodrábuscar dentrodeunmayorespacio,demaneraquesereduzcanlas posibilidadesdeencontrarunmínimolocal,peroelcostecomputacionalserámayor.Enestecaso vamosatrabajarconunapoblaciónde50individuosyaqueelnúmerodevariablesnoesmayoracinco. Por otro lado,hemos de elegir el tipo selección de los individuos que van a serlos padres de los individuos de la nueva generación. Aunque para el caso del algoritmo genético, el programa trae implementadoscincotiposdiferentes,vamosatomarlaselecciónportorneoyaqueeslaúnicaopción paraelcasodelosalgoritmosgenéticosmultiobjetivoqueeselobjetivodelosfuturostrabajos.Laidea principaldeestetipoconsisteenescogeralosindividuosgenéticosenbaseacomparacionesdirectas entresusajustes. Traslaselecciónpasamosalprocesodereproducción.Cuandolosindividuossonrecombinadospara producirladescendenciaqueseinsertaráenlasiguientegeneraciónhablamosdecruce,esuntipode reproducciónsexualyeslamásrelevantegenerando,ennuestrocaso,el80%delasiguientepoblación. Laotraestrategiareproductivaparalaobtencióndeunanuevageneracióneslacopiaydentrodeella encontramoseltipollamadoelitismo,quesebasaencopiarsiemprelosmejoresindividuosdeuna generaciónenlageneraciónsiguiente,estableciendoennuestrocasoparaellouncoeficientede0,05. Hablamosahoradelamutación,queconsisteenrealizarpequeñoscambiosaleatoriosenlosindividuos de la población, en nuestro caso, debido a que tenemos un problema con restricciones, el tipo aconsejableesAdaptiveFeasiblequetraeimplementadoelprogramaMatlab. 3. CENADORDECARLOSV El Cenador de Carlos V es una edificación que forma parte de los Reales Alcázares de Sevilla. Se encuentradentrodeloquesedenominabalahuertadelaAlcoba,espacioquefueintervenidoapartir del1542.EljardínseencuentracentradoenelPabellóndeCarlosV,remodelaciónposiblementede unaqubba(oratoriomusulmán)que presidíaelcementerio real, dedondederivaría elnombre de HuertadelaAlcoba[13].  Figura1.ImagenexteriordelCenadordeCarlosV. 682 CMMoST 2017 Updating models of finite elements by modal operational analysis and genetic algorithms. Application to architectural heritage built Fourth International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering Madrid (Spain). 29 nov-01 dec 2017. población,elalgoritmopodrábuscar dentrodeunmayorespacio,demaneraquesereduzcanlas posibilidadesdeencontrarunmínimolocal,peroelcostecomputacionalserámayor.Enestecaso vamosatrabajarconunapoblaciónde50individuosyaqueelnúmerodevariablesnoesmayoracinco. Por otro lado,hemos de elegir el tipo selección de los individuos que van a serlos padres de los individuos de la nueva generación. Aunque para el caso del algoritmo genético, el programa trae implementadoscincotiposdiferentes,vamosatomarlaselecciónportorneoyaqueeslaúnicaopción paraelcasodelosalgoritmosgenéticosmultiobjetivoqueeselobjetivodelosfuturostrabajos.Laidea principaldeestetipoconsisteenescogeralosindividuosgenéticosenbaseacomparacionesdirectas entresusajustes. Traslaselecciónpasamosalprocesodereproducción.Cuandolosindividuossonrecombinadospara producirladescendenciaqueseinsertaráenlasiguientegeneraciónhablamosdecruce,esuntipode reproducciónsexualyeslamásrelevantegenerando,ennuestrocaso,el80%delasiguientepoblación. Laotraestrategiareproductivaparalaobtencióndeunanuevageneracióneslacopiaydentrodeella encontramoseltipollamadoelitismo,quesebasaencopiarsiemprelosmejoresindividuosdeuna generaciónenlageneraciónsiguiente,estableciendoennuestrocasoparaellouncoeficientede0,05. Hablamosahoradelamutación,queconsisteenrealizarpequeñoscambiosaleatoriosenlosindividuos de la población, en nuestro caso, debido a que tenemos un problema con restricciones, el tipo aconsejableesAdaptiveFeasiblequetraeimplementadoelprogramaMatlab. 3. CENADORDECARLOSV El Cenador de Carlos V es una edificación que forma parte de los Reales Alcázares de Sevilla. Se encuentradentrodeloquesedenominabalahuertadelaAlcoba,espacioquefueintervenidoapartir del1542.EljardínseencuentracentradoenelPabellóndeCarlosV,remodelaciónposiblementede unaqubba (oratoriomusulmán)que presidíaelcementerio real, dedondederivaría elnombre de HuertadelaAlcoba[13].  Figura1.ImagenexteriordelCenadordeCarlosV. Estefanía A. Chaves, Pablo Pachón, Víctor Compán, J. Ramón Baeza 3.1. Descripcióndeledificio El edifico está formado por el núcleo central compuesto por muros de fábrica y veinte columnas, presentandodoblesimetría.Laplataformaquedadelimitadaporunmurodeunmetroaproximadode alturaqueseparaeláreadelpabellóndelrestodeljardín.Lapuertadeaccesoseencuentraenlacara sur,queespordondeatraviesaelcanaldelafuenteeledificio. Tantoelespaciointeriorcomolagaleríaquedandelimitadossuperiormenteporunacubiertainclinada detejas.Enlapartedelagalería,bajolacubiertainclinada,tenemosunpañoverticalyenelvolumen interiorcentral,bajolacubiertainclinada,seencuentrauna cúpulade6metrosdediámetro.Esta generaunadisminucióndesecciónenelmuroperimetraldeunos12cmencadalado.Enestecasola alturalibre,demásdenuevemetrosenlazonacentral,seimponesobreladimensiónhorizontalque superaporpocolos5,70metrosencadadirección. Exteriormentesecreaunagaleríaquesedesarrollaentodoelperímetro,conunadimensióndepoco másdedosmetrosdesdeelmurohastalabasadelascolumnas.Estascolumnassoportanunaarcada conlucesde2,30metrosaproximadamente,quedandounespaciodepasoentreellasdedosmetros. Porúltimo,tenemoselespacioqueestáentrelascolumnasyelmuretequedelimitalaplataforma, dondesegeneraunespacio,nocubierto,deunmetroymediodeanchoaproximadamente. Conlo querespecta alas soluciones constrictivas, el edificioseresuelveconelementos masivosy monolíticos,paralosqueseusalafábricaylapiedra.Juntoaestoselementosaparecenlascubiertas, quecontrastanconelrestoportratarsedeunelementoligeroyaqueseresuelvenconunentramado devigasdemaderadesecciónesbelta.Juntoaestassolucionesdecubiertaaparecelacúpulademadera que,juntoalacubiertainclinada,remataelespaciointerior[5].  Figura2.SeccióndelCenadordeCarlosV. 683 CMMoST 2017 Updating models of finite elements by modal operational analysis and genetic algorithms. Application to architectural heritage built Fourth International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering Madrid (Spain). 29 nov-01 dec 2017. 3.2. Modelodeelementosfinitos  3.2.1. Modelado PararealizarlodeunaformaadecuadasehautilizadoelprogramademodeladoparamétricoCATIA. Aquísehangeneradovolúmenesparalosdiferenteselementosdefábricaypiedra,yelementosdetipo superficialparalaspartesdemaderadelacubiertaylacúpuladelespaciocentralysuspechinas. 3.2.2. Mallado ElmodelodeelementosfinitossegenerausandoelprogramacomercialICEMpertenecientealacasa ANSYS.Sehanusadoelementosdetiposhellparalassuperficiescorrespondientesalascubiertasyala cúpula.Estoselementossuperficialessedefinenmediante3nodos,sinnodosintermediosy6grados delibertad(Ux,Uy,Uz,Rotx,Roty,Rotz).Porotrolado,alrestodeelementos,columnas,arqueríay murointerior,quesehanmodeladocomosólidos,selesasociaunelementodetipovolumétrico,de4 nodos,sinnodosintermediosy3gradosdelibertad(Ux,Uy,Uz). La densidad de la malla se ha establecido por elementos según la geometría de cada elemento, obteniendounmodelofinalde586642elementos,128090nodosy405321gradosdelibertad. Figura3.ModelodeelementosfinitosdelCenadordeCarlosVyespecificacióndemateriales.  3.3. Campañaexperimental  3.3.1. Tomadedatos Para obtener la información modal del pabellón han utilizado tres acelerómetros triaxiales y dos acelerómetrosuniaxiales.Elpuntodereferenciasesitúaenlasecciónsuperiordeunadelascolumnas, enlazonadecontactodelafábricadeladrilloconlaarquería. Lacampañaserealizódurantesietedías,enlosqueserealizaronmásde30medidasde12minutosde duración,obteniéndoseinformaciónde98puntos,definidosenlafig.4. Cúpula (Madera) Cubierta1 (Madera) Cubierta2 Fábrica Piedra 684 CMMoST 2017 Updating models of finite elements by modal operational analysis and genetic algorithms. Application to architectural heritage built Fourth International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering Madrid (Spain). 29 nov-01 dec 2017. 3.2. Modelodeelementosfinitos  3.2.1. Modelado PararealizarlodeunaformaadecuadasehautilizadoelprogramademodeladoparamétricoCATIA. Aquísehangeneradovolúmenesparalosdiferenteselementosdefábricaypiedra,yelementosdetipo superficialparalaspartesdemaderadelacubiertaylacúpuladelespaciocentralysuspechinas. 3.2.2. Mallado ElmodelodeelementosfinitossegenerausandoelprogramacomercialICEMpertenecientealacasa ANSYS.Sehanusadoelementosdetiposhellparalassuperficiescorrespondientesalascubiertasyala cúpula.Estoselementossuperficialessedefinenmediante3nodos,sinnodosintermediosy6grados delibertad(Ux,Uy,Uz,Rotx,Roty,Rotz).Porotrolado,alrestodeelementos,columnas,arqueríay murointerior,quesehanmodeladocomosólidos,selesasociaunelementodetipovolumétrico,de4 nodos,sinnodosintermediosy3gradosdelibertad(Ux,Uy,Uz). La densidad de la malla se ha establecido por elementos según la geometría de cada elemento, obteniendounmodelofinalde586642elementos,128090nodosy405321gradosdelibertad. Figura3.ModelodeelementosfinitosdelCenadordeCarlosVyespecificacióndemateriales.  3.3. Campañaexperimental  3.3.1. Tomadedatos Para obtener la información modal del pabellón han utilizado tres acelerómetros triaxiales y dos acelerómetrosuniaxiales.Elpuntodereferenciasesitúaenlasecciónsuperiordeunadelascolumnas, enlazonadecontactodelafábricadeladrilloconlaarquería. Lacampañaserealizódurantesietedías,enlosqueserealizaronmásde30medidasde12minutosde duración,obteniéndoseinformaciónde98puntos,definidosenlafig.4. Cúpula (Madera) Cubierta1 (Madera) Cubierta2 Fábrica Piedra Estefanía A. Chaves, Pablo Pachón, Víctor Compán, J. Ramón Baeza    Figura4.Izquierda:definicióndelospuntosdemedición.Derecha:imágenesdelacampañadetomadedatos delCenadordeCarlosV. 3.3.2. Tratamientodedatos Cadaficheroobtenidoencadamediciónsefiltrayseanalizalaseñalgráficamenteconelprograma Matlab;eliminandolatendencialinealyaplicandofiltrosparareducirelruidodelaseñal. Para realizar la identificación modal se van a utilizar dos métodos, el método de descomposición mejorada en el dominio de la frecuencia (EFDD) y el método de identificación en el subespacio estocástico(SSI),ysucomparativamedianteelModalAssuranceCriterion(MAC)implementadostodos enArtemis.Paraestecasosehanobtenidoseismodosregistrandotodosellospordebajodelos10Hz. Nosencontramoscondosmodosdeflexiónsimple,unoenladireccióndelejeXyotroenelejeY.Como tercermodoencontramosunmovimientodetorsiónenelquetantolagaleríaexteriorcomoelnúcleo interior,giranenlamismadirección. Nosencontramosahoraconunsaltodecasitresherciosdefrecuenciahastaobtenerelcuartomodo. Estopuededebersealaaparicióndemodoslocalesdeloselementosdemadera,cuyamediciónnoera posible. En este cuarto modo el edificio tiene un movimiento diagonal donde dos de las esquinas opuestasseabrenylasotrasdossedesplazanhaciaelpuntocentral. Losdossiguientesmodossehanidentificadomediantelosdosmétodosconfrecuenciasmuypróximas, 0,2Hzdediferencia.Nosencontramoscondosmodosquecorrespondenaunaflexióncruzada,entre lagaleríay el núcleocentral, unoenelejeXyotroenY.ElvalorMACen este casovuelveaser demasiadobajo,perosecreequeesdebidoaquelaidentificaciónmedianteelmétodoEFDDnoha sido del todo precisa ya que al analizar las formas modales observamos bastante ruido en los desplazamientos. Cot a 1 Cot a 2 Cot a 3 Cot a 4 685 CMMoST 2017 Updating models of finite elements by modal operational analysis and genetic algorithms. Application to architectural heritage built Fourth International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering Madrid (Spain). 29 nov-01 dec 2017.  Figura5.FormasmodalesexperimentalesdelCenadordeCarlosV,modosdel1al6pororden.Geometríabase morada,geometríadeformadaverde. 3.4. Actualización Comparandolosvaloresrealesylosnuméricosobservamoscomotodoslosmodosobtenidosdela mediciónrealizadasonmodosgeneralesdeledificio,mientrasqueconAbaquslascubiertaspresentan modospropiosqueseintercalanentrelosmodosglobales.Estoesdebidoalaimposibilidaddecolocar acelerómetrosenlascubiertasyaquehabríaquehabercolocadolosacelerómetrosdereferenciaen lasdistintascubiertassimultáneamente. Mediante el análisis de sensibilidad se observa como los módulos de elasticidad cobran mayor importanciaenlosresultadosdeloscálculos,asíquesedefinencomovariablesdecálculo. 3.4.1. Algoritmogenéticodeactualización Traselprimerajustemanualsedefineelalgoritmogenético.Esaquídondelaexistenciademodos localessuponeunproblemadebidoalaautomatizacióndelalgoritmo.Elalgoritmocomparalosvalores delasfrecuenciasdemaneraordenada,porloquevaacompararvaloresquenodefinenlosmismos modosyaquevaaasimilarlosmodoslocalesqueseintercalanconlosmodosglobalesquehemos introducidonosotros. Lasoluciónqueseplanteaesutilizarlostresprimerosmodos,queAbaqussirespeta,yactualizartres valores.Seestablecenvaloresmáximosymínimosparalasvariables,quedefinanunrangodentrodel cualnoaparezcaningúnmodolocalentrelostresprimeros. 686 CMMoST 2017 Updating models of finite elements by modal operational analysis and genetic algorithms. Application to architectural heritage built Fourth International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering Madrid (Spain). 29 nov-01 dec 2017.  Figura5.FormasmodalesexperimentalesdelCenadordeCarlosV,modosdel1al6pororden.Geometríabase morada,geometríadeformadaverde. 3.4. Actualización Comparandolosvaloresrealesylosnuméricosobservamoscomotodoslosmodosobtenidosdela mediciónrealizadasonmodosgeneralesdeledificio,mientrasqueconAbaquslascubiertaspresentan modospropiosqueseintercalanentrelosmodosglobales.Estoesdebidoalaimposibilidaddecolocar acelerómetrosenlascubiertasyaquehabríaquehabercolocadolosacelerómetrosdereferenciaen lasdistintascubiertassimultáneamente. Mediante el análisis de sensibilidad se observa como los módulos de elasticidad cobran mayor importanciaenlosresultadosdeloscálculos,asíquesedefinencomovariablesdecálculo. 3.4.1. Algoritmogenéticodeactualización Traselprimerajustemanualsedefineelalgoritmogenético.Esaquídondelaexistenciademodos localessuponeunproblemadebidoalaautomatizacióndelalgoritmo.Elalgoritmocomparalosvalores delasfrecuenciasdemaneraordenada,porloquevaacompararvaloresquenodefinenlosmismos modosyaquevaaasimilarlosmodoslocalesqueseintercalanconlosmodosglobalesquehemos introducidonosotros. Lasoluciónqueseplanteaesutilizarlostresprimerosmodos,queAbaqussirespeta,yactualizartres valores.Seestablecenvaloresmáximosymínimosparalasvariables,quedefinanunrangodentrodel cualnoaparezcaningúnmodolocalentrelostresprimeros. Estefanía A. Chaves, Pablo Pachón, Víctor Compán, J. Ramón Baeza Serealizaunprimercálculotomandocomovaloresdepartidalosestimadosenlaactualizaciónmanual y se definen unos valores límites a las variables. Tras actualizar los módulos de elasticidad de las cubiertasinclinadasylafábricadeladrillo,seobtieneunvalor0,002566comoresultadodelafunción objetivo,reduciendonotablementeelvalorinicialde0,16. Acontinuación,serealizaunaseriedeactualizacionesconsecutivasbasadasenlosvaloresactualizados delasanteriorescuyosresultadosquedanreflejadosenlaTabla1.EnelAlgoritmo4sedividenlosdos pañosdelacubiertadelagaleríaparaintentarobtenervaloresmásprecisos.Elerrordelúltimocálculo suponeunareduccióndelerrorentornoal13%conrespectoalvalordelprimeralgoritmo,porloque, apesardepoderactualizarsolotresvalores,conesteprocedimientoquehapodidoajustaraúnmásel error. Tabla1.Variablesactualizadasyerrorfinaltraslafinalizacióndecadaalgoritmo. Cálculo Variable1 Variable2 Variable3 Error Algoritmo1 Cubierta1 Cubierta2 Ladrillo 0.002566 Algoritmo2 Cubierta1 Cubierta2 Piedra 0.002512 Algoritmo3 Cubierta1 Cubierta2 Cúpula 0.002456 Algoritmo4 Cubierta1 Cubierta2a Cubierta2b 0.002316 Algoritmo5 Cubierta1 Cúpula Ladrillo 0.0022750 Algoritmo6 Cubierta1 Cubierta2a Cubierta2b 0.0022409 Tabla2.Valoresdelasvariablesactualizadosmediantelaaplicacióndelosalgoritmos. Material M.deelasticidadMPa Cubierta1 903 Cubierta2a 1706 Cubierta2b 335 Cúpula 2200 Ladrillo 512 Piedra 1380   3.4.2. Modeloactualizado Finalmente introducimos los valores de las variables actualizados en Abaqus para analizar si la actualizaciónmedianteelalgoritmoseharealizadocorrectamente.Paraellotomamoslostresprimeros modosquesonenbasealoscualessehanactualizadolasvariables. Tabla3.Comparativadelosvaloresdelasfrecuenciastraslaactualizaciónmedianteelalgoritmodel CenadordeCarlosV. Modo EFDD SSI Numérico Modo1 4.614Hz 4.823Hz 4.807Hz Modo2 5.054Hz 4.902Hz 4.917Hz Modo3 5.854Hz 5.834Hz 5.834 Hz 687 CMMoST 2017 Updating models of finite elements by modal operational analysis and genetic algorithms. Application to architectural heritage built Fourth International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering Madrid (Spain). 29 nov-01 dec 2017. 4.5. Conclusiones En este caso destacan los buenos resultados obtenidos en la campaña experimental ya que se registraroncincomodosmediantelosdosmétodos(EFDDySSI)demanerabastanteclara,convalores defrecuenciasprácticamenteidénticosyvaloresMACporencimade0,8. Referentealmodelodeelementosfinitos,sepuedemencionarlacomplejidadquesuponeladefinición de las condiciones de contorno, sobre todo si tenemos en cuenta que en nuestro caso dos caras completasyopuestasdelmodeloseencuentranconectadasaunconjuntodemayorentinadreferente alacrujíadelclaustro,quecondicionaengranmedidasucomportamientoestructural. Enloquerespectaalaactualización,laqueseharealizadodemaneramanualaproximóbastantelos valoresdelasfrecuenciasexperimentalesynuméricas,peromedianteelalgoritmogenéticosehan ajustadoaúnmáslosvaloresdelasfrecuenciasylasformasmodalesdemaneramásprecisa.Haber definidodiferentesgruposparalasconstantesdelosmuellesdentrodelamismasecciónpodríahaber supuestounmayorajuste,peroestohabríageneradoungrannúmerodevariablesquenoeraposible actualizarsimplementeajustandoenbasealasfrecuencias. Apesardehabersimplificadolosvaloresdelosmuellesencuatrogrupos,ydenohaberintroducido unamasainercialquehubierahechoposibleelanálisisdemovimientostransversales,losresultados tras la actualización automática han generado un modelo con un comportamiento muy similar al experimental. 5. CONCLUSIONESGENERALES Laaplicacióndelanálisismodalexperimentalresultaidóneaenelcasodeedificacionesdecarácter histórico para obtener información referente de los valores reales de la estructura mediante un procedimientonoagresivo. Losmodelosdeelementosfinitosgeneradospresentanunbuenajustetrassuactualización,porloque seconcluyequelassimplificacionestomadasparasudefiniciónsehanverificadocomoválidas. Elajustedelosmodelosdeelementosfinitosconseguidoenbasealafrecuenciaharesultadoadecuado. Enloreferentealajustebasadoendosobjetivos,frecuenciasyformasmodalesnosehanobtenido valoresválidosdebido al ruidoque presentanlasformas modales que se obtienen de la campaña experimental. Establecercomovariablesdeactualizaciónlosmódulosdeelasticidadharesultadovalidoparaelajuste delmodelodeelementosfinitos.Porelcontrario,estableciendolascondicionesdecontornocomo variables no se han conseguido resultados tan ajustados debido a que requieren una definición numéricamásprecisaqueseajustemejoralarealidad. El empleo de técnicas de actualización automáticas como las aquí expuesta, ha supuesto una herramientabastanteinteresanteyaqueseproduceunaminimizacióndelcostehumanoduranteel 694 CMMoST 2017 Updating models of finite elements by modal operational analysis and genetic algorithms. Application to architectural heritage built Fourth International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering Madrid (Spain). 29 nov-01 dec 2017. 4.5. Conclusiones En este caso destacan los buenos resultados obtenidos en la campaña experimental ya que se registraroncincomodosmediantelosdosmétodos(EFDDySSI)demanerabastanteclara,convalores defrecuenciasprácticamenteidénticosyvaloresMACporencimade0,8. Referentealmodelodeelementosfinitos,sepuedemencionarlacomplejidadquesuponeladefinición de las condiciones de contorno, sobre todo si tenemos en cuenta que en nuestro caso dos caras completasyopuestasdelmodeloseencuentranconectadasaunconjuntodemayorentinadreferente alacrujíadelclaustro,quecondicionaengranmedidasucomportamientoestructural. Enloquerespectaalaactualización,laqueseharealizadodemaneramanualaproximóbastantelos valoresdelasfrecuenciasexperimentalesynuméricas,peromedianteelalgoritmogenéticosehan ajustadoaúnmáslosvaloresdelasfrecuenciasylasformasmodalesdemaneramásprecisa.Haber definidodiferentesgruposparalasconstantesdelosmuellesdentrodelamismasecciónpodríahaber supuestounmayorajuste,peroestohabríageneradoungrannúmerodevariablesquenoeraposible actualizarsimplementeajustandoenbasealasfrecuencias. Apesardehabersimplificadolosvaloresdelosmuellesencuatrogrupos,ydenohaberintroducido unamasainercialquehubierahechoposibleelanálisisdemovimientostransversales,losresultados tras la actualización automática han generado un modelo con un comportamiento muy similar al experimental. 5. CONCLUSIONESGENERALES Laaplicacióndelanálisismodalexperimentalresultaidóneaenelcasodeedificacionesdecarácter histórico para obtener información referente de los valores reales de la estructura mediante un procedimientonoagresivo. Losmodelosdeelementosfinitosgeneradospresentanunbuenajustetrassuactualización,porloque seconcluyequelassimplificacionestomadasparasudefiniciónsehanverificadocomoválidas. Elajustedelosmodelosdeelementosfinitosconseguidoenbasealafrecuenciaharesultadoadecuado. Enloreferentealajustebasadoendosobjetivos,frecuenciasyformasmodalesnosehanobtenido valoresválidosdebido al ruidoque presentanlasformas modales que se obtienen de la campaña experimental. Establecercomovariablesdeactualizaciónlosmódulosdeelasticidadharesultadovalidoparaelajuste delmodelodeelementosfinitos.Porelcontrario,estableciendolascondicionesdecontornocomo variables no se han conseguido resultados tan ajustados debido a que requieren una definición numéricamásprecisaqueseajustemejoralarealidad. El empleo de técnicas de actualización automáticas como las aquí expuesta, ha supuesto una herramientabastanteinteresanteyaqueseproduceunaminimizacióndelcostehumanoduranteel Estefanía A. Chaves, Pablo Pachón, Víctor Compán, J. Ramón Baeza procesoyunmayorajusteentrelosvaloresnuméricosyexperimentales.Sinembargo,presentanel inconvenientedenecesitarrecursoscomputacionalesbastanteelevados. REFERENCIAS [1] ICOMOS.Committee,Recommendationsfortheanalysis,ConservationandStructuralRestoration of Architectural Heritage, in: ICOMOS InternationalCommittee for Analysis and Restoration of StructuresofArchitecturalHeritage,2005. [2] Peña,Fernando.2010.“EstrategiasparaelModeladoyelAnálisisSísmicodeEstructurasHistóricas” 83(83):43–63. [3] RodríguezSúnico,Manuel.2005.“AnálisisModalOperacional:TeoríayPráctica.” [4] Gestal,Marcos,DanielRivero,JuanRamónJrRabuñal,JuliánDorado,andAlejandroPazos.2010. IntroducciónalosAlgoritmosGenéticosylaProgramaciónGenética. [5] NietoJulian,JuanEnrique.2014Generacióndemodelosdeinformaciónparalagestióndeuna intervenciónenelpatrimonioarquitectónico.TesisDoctoral. [6] Compán,Víctor,Pachón,Pablo,Cámara,Margarita,Sáez,Andrés.2014.“AnálisisEstructuralDel MonasterioDeSanJerónimoDeBuenavista.Sevilla”REHABEND2014Abr.Santander,Spain. [7] Pachón,Pablo,VíctorCompán,EsperanzaRodríguezMayorga,andAndrésSáez.2015.“Controlof StructuralInterventionintheAreaoftheRomanTheatreofCadiz(Spain)byUsingNon‐Destructive Techniques.” Construction and Building Materials 101: 572–83. doi:10.1016/j.conbuildmat.2015.10.141. [8] Gentile, Carmelo, Antonella Saisi, and Alessandro Cabboi. 2014. “Structural Identifi cation of a Masonry Tower Based on Operational Modal Analysis.” International Journal of Architectural Heritage9(2):98–110.doi:10.1080/15583058.2014.951792.FreireObregón,Cristina.2011. [9] Implementación y validación del método mejorado de descomposición en el dominio de la frecuencia (EFDD) para la identificación de los parámetros modales de estructuras genéricas utilizandoruidoambiente.Estudiodelrangodeaplicabilidadenfuncióndelmodeloestructuraly lascondicionesdeuso. [10] Castillo,AE,andRLBoroschek.2002.“UsoDelMétodoDeFrecuenciaNoParametricaYSSSIPara LaIdentificaciónDePropiedades.” [11] Zordan,Tobia,BrunoBriseghella,andTaoLiu.2014.“FiniteElementModelUpdatingofaTied‐Arch BridgeUsingDouglas‐ReidMethodandRosenbrockOptimizationAlgorithm.”JournalofTrafficand TransportationEngineering(EnglishEdition)1(4):280–92.doi:10.1016/S2095‐7564(15)30273‐7. [12] “Optimize Using Ga ‐ MATLAB & Simulink ‐ MathWorks España.” n.d. https://es.mathworks.com/help/gads/performing‐a‐genetic‐algorithm‐optimization.html. [13] MarınFidalgo,Ana,Carlos1983‐Plaza,andAntonio1948‐AlmagroGorbea.2015.LosJardinesDel RealAlcazardeSevilla:HistoriaYArquitecturaDesdeElMedievoIslamicoAlSigloXX.[Sevilla]: PatronatodelRealAlcazardeSevillaydelaCasaConsistorial. [14] RiauArenas,Belén.2012.“LaArquitecturaMonacalylaBóvedaTabicada.Reconstruccióndela salaCapitulardelMonasteriodeSanJerónimodeBuenavista.” [15] “Patrimonio Inmueble de Andalucía. Antiguo Monasterio de San Jerónimo de Buenavista”. http://www.iaph.es/patrimonio‐inmueble‐andalucia/resumen.do?id=i4572 695 CMMoST 2017 696