La mesa vibratoria es el equipo que reproduce el movimiento del suelo para estudiar la respuesta de una estructura a escala. Su valor experimental depende de lo que se mide sobre ella. Un ensayo completo requiere tres elementos: una excitación conocida, un registro de la respuesta y un procesamiento que permita compararla con la predicción teórica.

NCN fabrica en el país el equipo de excitación y el de medición: la Mesa Vibradora STU02 y los acelerógrafos URQU1 y URQU2.

El ensayo en lazo cerrado

  1. Excitación. La mesa genera un movimiento definido: una función senoidal o un acelerograma registrado.
  2. Medición. Un acelerógrafo registra la aceleración en la base del modelo y, si se requiere, otro en su nivel superior.
  3. Análisis. Los registros se procesan y se comparan con la señal comandada o con el modelo numérico.

La STU02 es una mesa uniaxial con una amplitud de ±40 mm (80 mm de carrera total), un rango de frecuencias de 0.01 a 25 Hz y una resolución de 0.01 mm por paso, obtenida con un motor paso a paso acoplado a un husillo de bolas. Se opera desde un navegador web, sin licencias por usuario, y se integra con los acelerógrafos URQU1 y URQU2.

Procesamiento de los registros

Un acelerograma sin procesar no es adecuado para el análisis. Contiene desviaciones de línea base, ruido fuera de la banda de interés y, si se integra directamente, errores que crecen en velocidad y desplazamiento. Antes de su interpretación se aplican las operaciones siguientes:

  • Corrección de línea base.
  • Filtrado en la banda de frecuencias de interés.
  • Integración a velocidad y desplazamiento.
  • Cálculo de espectros.
  • Exportación en formatos estándar, como CSV y MiniSEED, para su uso en otros programas.

Cinco ensayos de dinámica estructural

1. Frecuencia natural de un pórtico

Se somete un modelo de uno o varios niveles a un barrido senoidal de frecuencia creciente, con un acelerógrafo en el nivel superior. La amplitud de la respuesta alcanza su máximo en la frecuencia natural del modelo. El valor obtenido se contrasta con el calculado a partir de la rigidez y la masa del modelo.

2. Amortiguamiento por vibración libre

Se excita el modelo en su frecuencia natural y se detiene la mesa. El registro de la oscilación libre permite calcular el decremento logarítmico y, a partir de él, la razón de amortiguamiento. Es un parámetro que en el análisis estructural suele asumirse (la Norma E.030 adopta un 5 % del amortiguamiento crítico) y que en el laboratorio puede medirse.

3. Reproducción de un acelerograma registrado

La STU02 reproduce acelerogramas reales, además de señales senoidales. Los desplazamientos de un registro sísmico pueden exceder la carrera de la mesa, por lo que el acelerograma debe escalarse o filtrarse para ajustarse a ±40 mm. La elección del criterio de escalamiento, y su efecto sobre el contenido de frecuencias, forma parte del análisis del ensayo.

4. Respuesta con y sin aislamiento

Se ensaya un mismo modelo apoyado directamente sobre la mesa y sobre un sistema de aislamiento a escala, con acelerógrafos en la base y en el nivel superior. La comparación de los registros muestra la reducción de la aceleración transmitida a la estructura. El ensayo ilustra el fundamento de la exigencia de aislamiento en la base para los nuevos establecimientos de salud de categoría A1 en las zonas sísmicas 3 y 4, establecida en la Norma E.030.

5. Verificación de un acelerógrafo

La mesa permite comprobar la respuesta de un acelerógrafo en campo. En un mantenimiento, NCN montó un Nanometrics Titan SMA sobre la mesa y lo excitó con siete combinaciones de frecuencia y amplitud entre 2 y 20 Hz. En los siete casos, la frecuencia dominante registrada coincidió con la comandada (ver el caso).

El mismo ensayo muestra la importancia del procesamiento. Sobre la señal sin procesar, las amplitudes medidas superaban la aceleración teórica entre 64 % y 235 %. Tras la corrección de línea base y un filtro pasa banda de 1 a 20 Hz, la diferencia se redujo a un rango de 7.9 % a 85.7 %. La diferencia restante es sistemática y se atribuye a que la mesa portátil no reproduce un movimiento senoidal ideal.

Relación entre amplitud, frecuencia y aceleración

En un movimiento senoidal, la aceleración máxima es a = (2πf)² · A, donde f es la frecuencia y A la amplitud de desplazamiento. Para A = 40 mm, la aceleración es de aproximadamente 1.6 m/s² (0.16 g) a 1 Hz y de 6.3 m/s² (0.64 g) a 2 Hz. Dado que la aceleración crece con el cuadrado de la frecuencia, los ensayos a frecuencias altas se realizan con amplitudes menores. Este cálculo previo permite definir combinaciones de amplitud y frecuencia compatibles con las capacidades de la mesa.

Evidencia para la acreditación

Los criterios de ABET para programas de ingeniería incluyen la capacidad de diseñar y realizar experimentos, y de analizar e interpretar datos. ICACIT, la agencia acreditadora peruana, aplica resultados de aprendizaje equivalentes. El conjunto formado por la mesa y el acelerógrafo produce esa evidencia de forma documentada: la señal comandada, el registro, el procesamiento y el informe de cada ensayo.