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Título: A novel methodology for designing a multimodal tuned mass damper applied to a suspension bridge model
Título(s) alternativo(s): Uma nova metodologia para o projeto de um absorvedor dinâmico de vibração multimodal aplicado ao modelo de uma ponte suspensa
Autor(es): Silva Júnior, José Marcos de Araújo
Orientador(es): Novak, Paulo Rogerio
Palavras-chave: Dinâmica estrutural
Análise estrutural (Engenharia)
Vibração - Controle
Método dos elementos finitos
Pontes suspensas
Structural dynamics
Structural analysis (Engineering)
Vibration - Control
Finite element method
Suspension bridges
Data do documento: 11-Mai-2023
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Citação: SILVA JÚNIOR, José Marcos de Araújo. A novel methodology for designing a multimodal tuned mass damper applied to a suspension bridge model. 2023. Dissertação (Mestrado em Programa de Pos-Graduação em Engenharia Civil) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2023.
Resumo: Pontes suspensas são infraestruturas vitais para sistemas de transporte em todo o mundo, e sua estabilidade e segurança sob cargas dinâmicas, como vento e excitação sísmica, são preocupações críticas para engenheiros de pontes. Para melhorar seu desempenho ao sofrer tais fenômenos, alguns projetistas propõem o uso de Absorvedores Dinâmicos de Vibração (ADVs) de Um-Grau de Liberdade (GDL) para amortecer o primeiro modo de flexão. No entanto, esses dispositivos possuem uma única faixa de operação de frequência, e muitos estudos têm mostrado que as pontes apresentam muitos modos críticos de vibração. Portanto, este trabalho buscou desenvolver uma nova metodologia para projetar Absorvedores Dinâmicos de Vibração Multimodais (ADVMs) para atender simultaneamente a vibração à flexão e torção do deque de uma ponte suspensa. A metodologia da pesquisa foi dividida em duas partes, e segue uma abordagem passo a passo, começando desde um modelo analítico básico até um protótipo de laboratório. A primeira parte foi a concepção de um modelo idealizado do deque de uma ponte suspensa com um Absorvedor Dinâmico de Vibração Multimodal (ADVM) anexado, em MATLAB®. As características de cada membro, como propriedades dos materiais e condições de contorno, foram consideradas nesta representação. Este modelo foi usado para simular cargas dinâmicas simples, como entradas harmônicas e de impulso para determinar o comportamento da estrutura primária e as propriedades geométricas do ADVM. A fim de reduzir os níveis de vibração dos modos visados, foi aplicada a técnica “Método dos Picos Iguais" e um desacoplamento físico completo entre os modos foi considerado. Em seguida, o modelo analítico foi desenvolvido em um de Elementos Finito no ANSYS®. A resposta dinâmica do deque, enquanto o ADVM está preso a ele foi simulada, através de análises Harmônica e Transiente. Os resultados da parte inicial do estudo mostraram que o método empregado é eficaz, pois os níveis de vibração da estrutura foram mitigados para ambas as frequências em mais de 70%. Finalmente, na segunda parte, para validar o procedimento teórico, um protótipo físico para o ADVM e o deque da ponte foram construídos em laboratório e ajustados aos seus equivalentes numéricos. Este segundo modelo foi então submetido a excitação dinâmica, e uma análise modal foi realizada pelo método RFP. Os resultados experimentais, relativos a este segundo sistema, foram comparados com os das simulações em Elementos Finitos. Os resultados mostram que os ADVM tem o potencial para reduzir a resposta dinâmica de uma estrutura complexa, pois, neste estudo, o dispositivo foi capaz de quebrar os dois modos visados. Além disso, houve uma redução significativa do movimento em torno de 5dB e 1dB para os modos de flexão e torção, respectivamente, mesmo sem a inserção de amortecimento ótimo.
Abstract: Suspension bridges are vital infrastructure for transportation systems worldwide, and their stability and safety under dynamic loads, such as wind and seismic excitation, are critical concerns for bridge engineers. To improve their performance when undergoing such phenomena, some designers propose the use of Single-Degree of Freedom (DOF) Tuned Mass Dampers (TMDs) to dampen its first bending mode. Nonetheless, these devices have a single frequency band of operation, and many studies have shown that bridges present many critical vibration modes. Therefore, this work developed a novel methodology for designing Multimodal Tuned Mass Dampers (MTMDs) to simultaneously target the bending and torsional vibration of a suspension bridge’s deck. The research methodology was divided in two parts, and follows a step-wise approach, starting with a basic analytic model up to a laboratory prototype. The first part was the conception of an idealized model of a suspension bridge’s deck with a Multimodal Tuned Mass Damper (MTMD) attached, in Matrix Laboratory® (MATLAB®). Each member’s characteristics, such as material properties, and boundary conditions, were considered in this representation. This model was used to simulate simple dynamic loads, such as harmonic and pulse inputs, to determine the primary structure’s behavior and the MTMD’s geometric properties. In order to reduce the vibration levels of the targeted modes, the “Equal Peak Design" technique was applied and a complete physical decoupling between the modes was considered. Next, the analytic model was developed into a Finite Element’s in Analysis System Incorporated® (ANSYS®). The dynamic response of the deck, whilst the MTMD is attached thereon was simulated, through Harmonic and Transient Analysis. The results for the initial part of the study showed the employed method as effective, for the structure’s vibration levels were mitigated for both frequencies by more than 70%. Finally, in the second part, to validate the theoretical procedure, a physical prototype for the MTMD and the bridge’s deck were built in the laboratory and adjusted to its numerical equivalents. This second model was then subjected to dynamic excitation, and a modal analysis was carried by the Rational Fractional Polynomial (RFP) Method. The experimental results, concerning this second system, were compared to their FE counterpart. The findings suggest that MTMDs have the potential to reduce the dynamic response of a complex structure, since, in this study, the device was able to split both of the targeted modes. Moreover, there was a significant movement reduction of around 5dB and 1dB for the bending and torsional modes, respectively, even without the insertion of optimal damping.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/31576
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