Active vibration suppression of beams with discrete actuators using optimal dynamic inversion

Most of the structural elements like beams, cables etc. are flexible and should be modeled as distributed parameter systems (DPS) to represent the reality better. For large structures, the usual approach of 'modal representation' is not an accurate representation. Moreover, for excessive vibrations (possibly due to strong wind, earthquake etc.), external power source (controller) is needed to suppress it, as the natural damping of these structures is usually small. In this paper, we propose to use a recently developed optinial dynamic inversion technique to design a set of discrete controllers for this purpose. We assume that the control force to the structure is applied through finite number of actuators, which are located at predefined locations in the spatial domain. The method used in this paper determines control forces directly from the partial differential equation (PDE) model of the system. The formulation has better practical significance, both because it leads to a closed form solution of the controller (hence avoids computational issues) as well as because a set of discrete actuators along the spatial domain can be implemented with relative ease (as compared to a continuous actuator).

Active vibration suppression of beams with discrete actuators using optimal dynamic inversion

Most of the structural elements like beams, cables etc. are flexible and should be modeled as distributed parameter systems (DPS) to represent the reality better. For large structures, the usual approach of 'modal representation' is not an accurate representation. Moreover, for excessive vibrations (possibly due to strong wind, earthquake etc.), external power source (controller) is needed to suppress it, as the natural damping of these structures is usually small. In this paper, we propose to use a recently developed optimal dynamic inversion technique to design a set of discrete controllers for this purpose. We assume that the control force to the structure is applied through finite number of actuators, which are located at predefined locations in the spatial domain. The method used in this paper determines control forces directly from the partial differential equation (PDE) model of the system. The formulation has better practical significance, both because it leads to a closed form solution of the controller (hence avoids computational issues) as well as because a set of discrete actuators along the spatial domain can be implemented with relative ease (as compared to a continuous actuator)

Análise dinâmica de plataformas de aço para produção de petróleo com base na consideração do efeito da interação solo-estrutura

Atualmente, as tendências competitivas do mercado mundial, têm forçado os engenheiros estruturais a desenvolver soluções de projeto que acarretem em menor peso e custo de execução. Uma consequência direta desta nova tendência de projeto é o aumento considerável de problemas relacionados a vibrações de piso indesejadas. Por esta razão, os sistemas estruturais de pisos podem tornar-se vulneráveis a vibrações excessivas, como por exemplo, aquelas induzidas por equipamentos mecânicos (máquinas rotativas). Deste modo, este trabalho objetiva investigar o comportamento dinâmico de uma plataforma de aço para produção de petróleo, localizada na bacia de Santos (campo de Merluza), São Paulo, Brasil. Para tal, investiga-se a influência das ações dinâmicas oriundas dos equipamentos mecânicos localizados sobre os decks metálicos da plataforma. A resposta dinâmica do modelo estrutural foi determinada através de um extenso estudo numérico, a partir da análise de suas frequências naturais, deslocamentos, velocidades e acelerações de pico. Nesta investigação, as cargas dinâmicas provenientes dos equipamentos mecânicos (máquinas rotativas) foram aplicadas sobre o piso metálico do sistema estrutural. Com base obtenção da resposta dinâmica da estrutura (deslocamentos, velocidades e acelerações), foi possível avaliar a performance do modelo estrutural em termos de critérios de conforto humano e das tolerâncias máximas referentes aos equipamentos mecânicos, de acordo com normas e recomendações de projeto.

Análise dinâmica e controle de vibrações de passarelas de pedestres submetidas ao caminhar humano.

Passarelas de pedestres mistas (aço-concreto) e de aço são frequentemente submetidas a ações dinâmicas de magnitude variável, devido à travessia de pedestres sobre a laje de concreto. Estas ações dinâmicas podem produzir vibrações excessivas e dependendo de sua magnitude e intensidade, estes efeitos adversos podem comprometer a confiabilidade e a resposta do sistema estrutural e, também, podem levar a uma redução da expectativa de vida útil da passarela. Por outro lado, a experiência e o conhecimento dos engenheiros estruturais em conjunto com o uso de novos materiais e tecnologias construtivas têm produzido projetos de passarelas mistas (aço-concreto) bastante arrojados. Uma consequência direta desta tendência de projeto é um aumento considerável das vibrações estruturais. Com base neste cenário, esta dissertação visa investigar o comportamento dinâmico de três passarelas de pedestres mistas (aço-concreto) localizadas no Rio de Janeiro, submetidas ao caminhar humano. Estes sistemas estruturais são constituídos por uma estrutura principal de aço e laje em concreto e são destinados à travessia de pedestres. Deste modo, foram desenvolvidos modelos numérico-computacionais, adotando-se as técnicas tradicionais de refinamento presentes em simulações do método de elementos finitos, com base no uso do software ANSYS. Estes modelos numéricos permitiram uma completa avaliação dinâmica das passarelas investigadas, especialmente em termos de conforto humano. As respostas dinâmicas foram obtidas em termos de acelerações de pico e comparadas com valores limites propostas por diversos autores e normas de projeto. Os valores de aceleração de pico e aceleração rms encontrados na presente investigação indicaram que as passarelas analisadas apresentaram problemas relacionados com o conforto humano. Assim sendo, considerando-se que foi detectado que estas estruturas poderiam atingir níveis elevados de vibração que possam vir a comprometer o conforto dos usuários, foi verificado que uma estratégia para o controle estrutural era necessária, a fim de reduzir as vibrações excessivas nas passarelas. Finalmente, uma investigação foi realizada com base em alternativas de controle estrutural objetivando atenuar vibrações excessivas, a partir do emprego de sistemas de atenuadores dinâmicos sintonizados (ADS).

Análise dinâmica e controle de vibrações de pisos de edificações submetidos a atividades humanas rítmicas.

Um aumento crescente dos problemas estruturais associados à vibração excessiva de pisos de edificações de estruturas mistas (aço-concreto) e de concreto armado devido a atividades humanas rítmicas constitui a principal motivação para o desenvolvimento de uma metodologia de projeto respaldada na obtenção da resposta dinâmica de pisos mistos (aço-concreto) e de concreto armado, quando submetidos a cargas dinâmicas humanas rítmicas. Para tal, os modelos estruturais estudados baseiam-se em pisos de edificações mistas (aço-concreto) e de concreto armado submetidos a aulas de ginástica aeróbica. São empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa ANSYS. Um estudo paramétrico foi realizado sobre os modelos estruturais investigados e foram obtidos valores elevados para as acelerações de pico violando os critérios de projeto e indicando níveis de vibrações excessivas. Considerando-se os aspectos mencionados anteriormente foi desenvolvida uma estratégia com base em alternativas viáveis para o controle estrutural, objetivando a atenuação das vibrações excessivas a partir da instalação de atenuadores dinâmicos sincronizados (ADS) nos pisos analisados.

Análise de vibrações e estudo de conforto humano sobre pisos mistos (aço-concreto) submetidos a ações humanas rítmicas.

Este trabalho tem por objetivo avaliar o comportamento dinâmico de pisos mistos (aço-concreto) sob a ação de cargas provenientes das atividades humanas rítmicas, especificamente a prática de ginástica aeróbica, sob o ponto de vista do conforto humano. Tal avaliação torna-se necessária por crescentes problemas estruturais associados às vibrações excessivas, decorrentes da concepção de sistemas estruturais com baixos níveis de amortecimento e com frequências naturais cada vez mais baixas e bastante próximas das faixas de frequência das excitações associadas às atividades humanas rítmicas. O modelo estrutural investigado baseiase em um piso misto (aço-concreto) submetido a aulas de ginástica aeróbica. A modelagem numérica do piso misto investigado foi realizada com base no emprego do programa ANSYS e foram utilizadas técnicas de discretização por meio do método dos elementos finitos (MEF). As cargas aplicadas sobre o piso, oriundas das atividades aeróbicas, são simuladas através de dois modelos de carregamentos dinâmicos distintos. Uma extensa análise paramétrica foi desenvolvida sobre o modelo estrutural investigado e a resposta dinâmica do sistema foi obtida, em termos dos deslocamentos e das acelerações, e comparada com os limites recomendados por normas e critérios de projeto. A resposta dinâmica do piso estudado viola os critérios de projeto relativos ao conforto humano e indica níveis de vibrações excessivas nos casos de carregamento dinâmicos analisados nesta dissertação.

Modelagem do caminhar humano e avaliação de conforto humano de passarelas de pedestres.

Com o passar dos anos a engenharia estrutural passou a lidar com a exigência cada vez maior de estruturas que ocupem menos espaço e sejam consideravelmente mais leves. No caso de passarelas de pedestres, a esbeltez da estrutura aliada a um baixo peso pode acarretar em problemas de vibrações devido à ressonância com o caminhar dos pedestres. Estes problemas podem variar desde uma simples sensação de desconforto até problemas mais graves como o colapso estrutural. Com base nestas premissas, esta dissertação visa investigar dois modelos estruturais, um em concreto armado e outro misto, do tipo aço concreto, onde os modelos serão estudados mediante o emprego do método dos elementos finitos através do programa ANSYS. Os modelos numéricos permitem determinar as frequências naturais da estrutura e consequentemente estudar as respostas dos modelos mediante análises de vibrações forçadas. As respostas dinâmicas da estrutura serão obtidas em termos dos valores dos deslocamentos máximos e das acelerações de pico. Os resultados obtidos foram comparados com os principais guias que regem o conforto humano no caso de caminhar de pessoas em passarelas de pedestres, de forma que houve indicativos de possíveis desconfortos após a análise dos resultados obtidos ao longo da investigação. Finalmente, foi feito um estudo considerando-se movimentos aleatórios dos pedestres sobre as passarelas, objetivando estudar os níveis da resposta dinâmica das estruturas nestas situações.

Control design applied to a non-ideal structural system with behavior chaotic

In this paper we study the behavior of a structure vulnerable to excessive vibrations caused by an non-ideal power source. To perform this study, the mathematical model is proposed, derive the equations of motion for a simple plane frame excited by an unbalanced rotating machine with limited power (non-ideal motor). The non-linear and non-ideal dynamics in system is demonstrated with a chaotic behavior. We use a State-Dependent Riccati Equation Control technique for regulate the chaotic behavior, in order to obtain a periodic orbit small and to decrease its amplitude. The simulation results show the identification by State-Dependent Riccati Equation Control is very effective. © 2013 Academic Publications, Ltd.

Assessment Of Dynamic Properties Of A Crowd Model For Human-Structure Interaction Modeling

As lightweight and slender structural elements are more frequently used in the design, large scale structures become more flexible and susceptible to excessive vibrations. To ensure the functionality of the structure, dynamic properties of the occupied structure need to be estimated during the design phase. Traditional analysis method models occupants simply as an additional mass; however, research has shown that human occupants could be better modeled as an additional degree-of- freedom. In the United Kingdom, active and passive crowd models are proposed by the Joint Working Group as a result of a series of analytical and experimental research. It is expected that the crowd models would yield a more accurate estimation to the dynamic response of the occupied structure. However, experimental testing recently conducted through a graduate student project at Bucknell University indicated that the proposed passive crowd model might be inaccurate in representing the impact on the structure from the occupants. The objective of this study is to provide an assessment of the validity of the crowd models proposed by JWG through comparing the dynamic properties obtained from experimental testing data and analytical modeling results. The experimental data used in this study was collected by Firman in 2010. The analytical results were obtained by performing a time-history analysis on a finite element model of the occupied structure. The crowd models were created based on the recommendations from the JWG combined with the physical properties of the occupants during the experimental study. During this study, SAP2000 was used to create the finite element models and to implement the analysis; Matlab and ME¿scope were used to obtain the dynamic properties of the structure through processing the time-history analysis results from SAP2000. The result of this study indicates that the active crowd model could quite accurately represent the impact on the structure from occupants standing with bent knees while the passive crowd model could not properly simulate the dynamic response of the structure when occupants were standing straight or sitting on the structure. Future work related to this study involves improving the passive crowd model and evaluating the crowd models with full-scale structure models and operating data.

Measuring dynamic effects on underpasses of high-speed railway lines

Underpasses are common in modern railway lines. Wildlife corridors and drainage conduits often fall into this category of partially buried structures. Their dynamic behaviour has received far less attention than that of other structures such as bridges, but their large number makes their study an interesting challenge in order to achieve safe and cost-effective structures. As ballast operations are a key life cycle cost, and excessive vibrations increase the need of ballast regulation in order to ensure track geometry, special attention is paid to accelerations, the values of which should be limited to avoid track instability according to Eurocode. In this paper, the data obtained during on site measurements on culverts belonging to a Spanish high-speed train line are presented. A set of six rectangular-shaped, closed-frame underpasses were monitored under traffic loading. Acceleration records at different points of the structures are presented and discussed. They reveal a non-uniform dynamic response of the roof-slab, with the highest observed values below the occupied track. Also, they indicate that the dynamic response is important up to frequencies higher than those usually observed for standard simply supported bridges. Finally, they are used to obtain a heuristic rule to estimate acceleration levels on the roof-slab.

A Unique Prestressed Concrete Pedestrian Bridge in Spain

This paper describes the so-called Kiss Bridge. This structure resembles a kiss, a subtle touch of structures. The beams have been structurally designed to adapt the Japanese art of paper folding called "origami." The material used for constructing the floating beams is white reinforced concrete in the form of folded shells. The two geometrically different parts have distinct structural behaviors. The length of the main pathway of both structures is over 60 m. The pedestrian bridge crosses an artificial rainwater channel with a skew of 45° with respect to the referred channel. The joint between the cantilever structure and the Y-shaped one is located over the middle of the channel. Each stretch has different transversal sections. The pedestrian bridge is made with prestressed self-compacting reinforced concrete of 60 MPa. The foundation is shallow, comprising footings and footing beams made of 25 MPa conventional concrete. The cantilever structure with its foundations is designed as a semi-integral bridge whereas the Y-shaped one is an integral structure. The dynamic behavior of the structure was carefully studied to ensure that the dynamic loads generated by pedestrians do not cause excessive vibrations, especially to the cantilever structure, which could present dynamic interactions with the pedestrians walking. The bridge was recognized, in the 2014 edition of the fib Awards for Outstanding Concrete Structures, for having made a valuable contribution to the image and promotion of concrete structures.

Teaching and evaluating mechanical vibrations with Matlab®

The study of the response of mechanical systems to external excitations, even in the simplest cases, involves solving second-order ordinary differential equations or systems thereof. Finding the natural frequencies of a system and understanding the effect of variations of the excitation frequencies on the response of the system are essential when designing mechanisms [1] and structures [2]. However, faced with the mathematical complexity of the problem, students tend to focus on the mathematical resolution rather than on the interpretation of the results. To overcome this difficulty, once the general theoretical problem and its solution through the state space [3] have been presented, Matlab®[4] and Simulink®[5] are used to simulate specific situations. Without them, the discussion of the effect of slight variations in input variables on the outcome of the model becomes burdensome due to the excessive calculation time required. Conversely, with the help of those simulation tools, students can easily reach practical conclusions and their evaluation can be based on their interpretation of results and not on their mathematical skills

Application of a continuum theory to vertical vibrations of a layer of granular material

Many interesting phenomena have been observed in layers of granular materials subjected to vertical oscillations; these include the formation of a variety of standing wave patterns, and the occurrence of isolated features called oscillons, which alternately form conical heaps and craters oscillating at one-half of the forcing frequency. No continuum-based explanation of these phenomena has previously been proposed. We apply a continuum theory, termed the double-shearing theory, which has had success in analyzing various problems in the flow of granular materials, to the problem of a layer of granular material on a vertically vibrating rigid base undergoing vertical oscillations in plane strain. There exists a trivial solution in which the layer moves as a rigid body. By investigating linear perturbations of this solution, we find that at certain amplitudes and frequencies this trivial solution can bifurcate. The time dependence of the perturbed solution is governed by Mathieu’s equation, which allows stable, unstable and periodic solutions, and the observed period-doubling behaviour. Several solutions for the spatial velocity distribution are obtained; these include one in which the surface undergoes vertical velocities that have sinusoidal dependence on the horizontal space dimension, which corresponds to the formation of striped standing waves, and is one of the observed patterns. An alternative continuum theory of granular material mechanics, in which the principal axes of stress and rate-of-deformation are coincident, is shown to be incapable of giving rise to similar instabilities.