Calibración de un modelo numérico para un edificio no convencional de hormigon armado.

Abstract

El desarrollo de métodos numéricos y herramientas de monitoreo han incentivado el estudio del comportamiento de estructuras existentes, generando modelos digitales actualizados que disminuyan las diferencias entre el comportamiento observado y el digital. Lo anterior, junto con el interés sobre su aplicación en edificios de mediana altura y de valor arquitectónico, agrupan las principales motivaciones para estudiar el Edificio Innovación de la Universidad del Bio-Bio. Por estas razones, el objetivo general de este trabajo fue calibrar un modelo numérico para este edificio en base a sus mediciones experimentales. Para cumplir con dicho objetivo, se modeló el edificio utilizando el programa ETABS. El error del modelo se calculó en base a las diferencias entre las frecuencias numéricas y experimentales, resultando en un error del 12% para el modelo base preliminar. Del modelo se identificaron 18 variables potencialmente significativas sobre su comportamiento dinámico. De estas, 12 correspondían a módulos de elasticidad del modelo (rigideces), y 6 cargas distribuidas (masas). Luego se aplicó un análisis de sensibilidad mediante el programa quoFEM, utilizando el método de muestreo LHS. Se realizaron 100 iteraciones por variable y de este análisis tres variables se identificaron como significativas utilizando los Índices de Sobol. Dos de las variables pertenecían a los módulos de elasticidad de muros y columnas del primer y último piso, y la última correspondía a la carga distribuida aplicada en el último piso. Con respecto a estos resultados, la influencia del módulo de elasticidad del primer piso es esperada debido a que estos representan una parte fundamental dentro de la transmisión de cargas desde los pisos superiores a la base. En cuanto a la carga aplicada en su último piso, se puede explicar su influencia debido a que los desplazamientos con respecto a la base del edificio aumentan en altura y la masa en este nivel puede amplificar los momentos torsionales, afectando el comportamiento del edificio. Con estas tres variables se procedió a realizar la calibración del edificio, también utilizando el programa quoFEM, junto con el método de optimización NL2SOL. Los resultados de la calibración produjeron distintas soluciones óptimas (óptimos locales), lo que podría responder a una escasa cantidad de datos experimentales con los cuales discriminar soluciones. Para sortear este problema, se decidió calibrar el modelo con los Diagramas Boxplot, con la cual se obtuvo un 5% de error con respecto a las mediciones experimentales.

The development of numerical methods and monitoring tools has encouraged the study of the behavior of existing structures, leading to the generation of updated digital models that reduces differences between observed and analytical behavior. This, together with the interest in their application in medium-rise buildings of architectural value, is the main motivation for studying the Edificio Innovación of the Universidad del Bio-Bio. For these reasons, the main objective of this project was to calibrate its numerical model based on experimental measurements. To achieve this objective, the building was modeled using the ETABS software. The model error was calculated based on the differences between numerical and experimental frequencies, resulting in 12% error for the preliminary baseline model. From the model, 18 potentially significant variables were identified for its dynamic behavior. Among these, twelve were modules of elasticity (stiffness) and six were loads distributed on each floor (masses). Then, a sensitivity analysis was applied, using the quoFEM software, employing the LHS sampling method. A total of 100 iterations per variable were performed, and from this analysis, three variables were identified as significant using Sobol’s Indices. Two of the variables pertained to the modules of elasticity of walls and columns on the first and last floors, while the last one corresponded to the distributed load applied on the fifth floor. Regarding these results, the influence of the elastic modulus of the first floor is expected because these represent a fundamental part in the transmission of loads from upper floors to the base. As for the load applied on its last floor, its influence can be explained due to the displacements relative to the building’s base increasing in height , and the mass at this level may amplify torsional moments, affecting the behavior of the building. With these three variables, the building calibration was conducted, also using the quoFEM program, along with the NL2SOL optimization method. The calibration produced different optimal solutions (local optima), which could be due to a limited amount of experimental data with which to discriminate solutions. To overcome this problem, it was decided to calibrate the model with Boxplot Diagrams, resulting in an 5% error with respect to experimental measurements.