Dynamic analysis and control of broadband frequency harmonic vibrations in lightweight pedestrian structures

Resumen

Las estructuras peatonales esbeltas y/o de grandes vanos suelen ser propensas a vibrar en exceso. Aunque las normativas actuales se cumplan, estas estructuras pueden resultar incómodas. Los dispositivos de control pueden reducir las vibraciones y mejorar significativamente el nivel de confort, así como aumentar la vida útil de las estructuras. Se han propuesto numerosos sistemas de amortiguación para estructuras civiles; sin embargo, en este campo no se han adoptado estos sistemas de amortiguación de forma general, aunque ´estos son muy eficaces en la cancelación de vibraciones. Esta tesis se ha llevado a cabo dentro del Proyecto de Investigación de financiación Pública “Desarrollo de nuevos sistemas para reducir las vibraciones en estructuras peatonales” REVES-P (DPI2013-47441). Así, en esta tesis se proporcionan herramientas para el análisis dinámico de estructuras con parámetros modales que varían en el tiempo y que permiten abordar el control vibraciones producidas por peatones en un amplio espectro en frecuencias. Esta tesis tiene dos objetivos principales. El primero se relaciona con la monitorización permanente y el análisis dinámico de una pasarela de banda tesa en servicio. Se desarrolla una metodología para el seguimiento de los modos de vibración y la correlación de los parámetros modales con factores externos. Se ha demostrado que la estructura es muy sensible a las variaciones de temperatura (cambios en la frecuencia de más del 20%) con dependencia estacional y diaria. Estas correlaciones permiten eliminar gran parte de la influencia de estas incertidumbres en las estimaciones modales, facilitando así su posible uso como índice sensible al daño estructural. Además, se han obtenido predictores representativos del servicio de vibraciones en monitorizaciones continuas y se han evaluado ´estos de acuerdo con los códigos actuales. El segundo objetivo está relacionado con el control de vibraciones semi-activo. Cuando se tienen estructuras cuyas propiedades modales cambian con el tiempo y/o se quieren cancelar varios modos de vibración con el mismo dispositivo de control, los sistemas pasivos (amortiguadores de masa sintonizados, TMD, por sus siglas en inglés, habitualmente adoptados para puentes peatonales) se pueden desintonizar, experimentando una pérdida significativa de eficiencia. En estas circunstancias, el uso de dispositivos semi-activos puede ser una solución alternativa prometedora. Esta investigación se centra en la mejora de los TMD clásicos para que sean totalmente adaptables a las acciones externas y/o a cambios significativos en las propiedades modales de la estructura (e incluso a cambios del propio dispositivo). Como resultado, se propone una metodología para el análisis numérico y el diseño de estrategias pasivas y semi-activas para el control de vibraciones en una amplia banda de frecuencias. La acción semi-activa se controla mediante amortiguadores magneto-reológicos (MR). En este sentido, se han llevado a cabo estudios experimentales y simulaciones numércias para la optimización del sintonizado de diferentes estrategias de control semi-activas teniendo en cuenta las no linealidades existentes, incluido un modelo del amortiguador MR, así como la evaluación de su funcionamiento. Las leyes de control existentes, basadas en el ajuste de la fase del TMD en tiempo real, se han adaptado/mejorado para hacerlas implementables. Finalmente, a partir de los resultados experimentales se ha demostrado el potencial de la metodología propuesta para el diseño e implementación de un sistema de control semi-activo. ----------ABSTRACT---------- Lightweight and/or long-span pedestrian structures are usually prone to vibrate excessively. Although current codes may be fulfilled, these structures are not usually comfortable in any way. Control devices can mitigate vibration and significantly improve the comfort as well as increasing the structure’s life span. Damping systems for civil structures have been continuously proposed; however, the civil engineering community has not generally accepted these damping systems, although they have shown great potential for cancelling vibrations. This thesis has been carried out within the Public Research Project “Development of novel systems for reducing vibrations in pedestrian structures” REVES-P (DPI2013-47441). Thus, this research provides tools for the dynamic analysis of structures with time-varying modal parameters and for addressing the vibration control of broadband– frequency harmonic vibrations produced by human-induced excitations. In this thesis, two main subjects have been dealt with. The first one is related to the long-term monitoring and dynamic analysis of an in-service steel-plated stress-ribbon footbridge. A methodology for tracking the vibration modes is developed and the modal parameters are correlated against external factors. It has been shown that this type of structure can be highly sensitive to temperature variations (frequency changes of more than 20%) with highly seasonal and daily trends. These correlations enable the influence of these uncertainties on modal estimates to be removed, thus facilitating their use as possible damage-sensitive features. Additionally, interesting long-term vibration serviceability predictors are derived and assessed according to current codes. The second subject is related to semi-active vibration control. When structures show modal properties changing over time, and/or several vibration modes must be cancelled by the same device, passive devices (tuned mass dampers, TMD, are the device usually adopted for footbridges) may detune and thus experience a significant loss of efficiency. Under these circumstances, the use of semi-active devices may be the most promising alternative. This research concentrates on the upgrading of classical TMDs to be totally adaptable to the actual characteristics of the external action or significant changes to the structure’s modal properties (so as to be robust to the device changes). As a result, a methodology to numerically test and design passive and semi-active strategies for broad-frequency band vibrations is proposed. The semi-active action is controlled using magneto-rheological (MR) dampers. In this sense, experimental and simulated studies have been carried out to optimize the tuning of semi-active strategies taking into account the existing non-linearities, including an MR model. Existing control laws, based on tuning the TMD phase in real-time, have been adapted in order to make them usable experimentally. Finally, experimental results have shown the potentiality of the proposed semi-active control design methodology.