Modal analysis of buildings : quantification of uncertainties and model updating

Una estructura vibra con la suma de sus infinitos modos de vibración, definidos por sus parámetros modales (frecuencias naturales, formas modales y coeficientes de amortiguamiento). Estos parámetros se pueden identificar a través del Análisis Modal Operacional (OMA). Así, un equipo de investigación de la Universidad Politécnica de Madrid ha identificado las propiedades modales de un edificio de hormigón armado en Madrid con el método Identificación de los sub-espacios estocásticos (SSI). Para completar el estudio dinámico de este edificio, se ha desarrollado un modelo de elementos finitos (FE) de este edificio de 19 plantas. Este modelo se ha calibrado a partir de su comportamiento dinámico obtenido experimentalmente a través del OMA. Los objetivos de esta tesis son; (i) identificar la estructura con varios métodos de SSI y el uso de diferentes ventanas de tiempo de tal manera que se cuantifican incertidumbres de los parámetros modales debidos al proceso de estimación, (ii) desarrollar FEM de este edificio y calibrar este modelo a partir de su comportamiento dinámico, y (iii) valorar la bondad del modelo. Los parámetros modales utilizados en esta calibración han sido; espesor de las losas, densidades de los materiales, módulos de elasticidad, dimensiones de las columnas y las condiciones de contorno de la cimentación. Se ha visto que el modelo actualizado representa el comportamiento dinámico de la estructura con una buena precisión. Por lo tanto, este modelo puede utilizarse dentro de un sistema de monitorización estructural (SHM) y para la detección de daños. En el futuro, podrá estudiar la influencia de los agentes medioambientales, tales como la temperatura o el viento, en los parámetros modales. A structure vibrates according to the sum of its vibration modes, defined by their modal parameters (natural frequencies, damping ratios and modal shapes). These parameters can be identified through Operational Modal Analysis (OMA). Thus, a research team of the Technical University of Madrid has identified the modal properties of a reinforced-concrete-frame building in Madrid using the Stochastic Subspace Identification (SSI) method and a time domain technique for the OMA. To complete the dynamic study of this building, a finite element model (FE) of this 19-floor building has been developed throughout this thesis. This model has been updated from its dynamic behavior identified by the OMA. The objectives of this thesis are to; (i) identify the structure with several SSI methods and using different time blocks in such a way that uncertainties due to the modal parameter estimation are quantified, (ii) develop a FEM of this building and tune this model from its dynamic behavior, and (iii) Assess the quality of the model, the modal parameters used in this updating process have been; thickness of slabs, material densities, modulus of elasticity, column dimensions and foundation boundary conditions. It has been shown that the final updated model represents the structure with a very good accuracy. Thus, this model might be used within a structural health monitoring framework (SHM). The study of the influence of changing environmental factors (such as temperature or wind) on the model parameters might be considered as a future work.

Acoustic characterization of open cavities with the image source model

El objetivo de esta tesis es investigar las resonancias acústicas de una cavidad abierta tridimensional, de paredes rectas o inclinadas, mediante un método rápido y eficiente en el dominio del tiempo. Este método modela la respuesta temporal en cualquier punto como la convolución de la forma de onda de la fuente con la respuesta impulsiva de la cavidad, la cual se obtiene como una secuencia de impulsos retardados y atenuados procedentes de la fuente real, el primero, y de las fuentes imágenes especulares, los siguientes (Modelo Fuente Imagen, ISM). Además de las componentes directa y reflejadas en las paredes, la respuesta impulsiva también incluye las contribuciones difractadas en los bordes, obtenidas mediante la generación de las componentes difractadas de cada fuente imagen. Las frecuencias de resonancia acústica de la cavidad abierta son extraídas de los picos de la Función de Respuesta en Frecuencia (FRF), obtenida como la transformada de Fourier de la respuesta temporal correspondiente entre una fuente puntual y un punto cualquiera de la cavidad. Las frecuencias de resonancia acústicas estimadas mediante este Método de Fuentes Imagen + difracción en bordes son validadas por comparación con las que proporciona un Modelo de Elementos Finitos (FEM) y con las medidas experimentalmente, con diferencias menores que el 1.6 % y el 2.7 %, respectivamente. A modo de comparación, las frecuencias de resonancia estimadas para la misma cavidad por el método ISM, cuando no se incluye la difracción en los bordes, difieren en un 5.7 % de las obtenidas experimentalmente. ABSTRACT The goal of this thesis is to investigate the acoustic resonances of a three-dimensional open cavity, with parallel and non-parallel walls, by a fast and efficient method in the time domain. This method models the time response in any point as the convolution of the source waveform with the impulse response of the cavity, which, in turn, is obtained as a sequence of attenuated and delayed impulses coming, the first from the real, and the subsequent from the mirror imaged sources (Image Source Model). Besides direct and wall-reflected components, the impulse response includes also edge-diffracted contributions by generating first order diffraction components for each image source. The acoustic resonance frequencies of the open cavity are extracted from the peaks of the Frequency Response Function (FRF), obtained as the Fourier transform of the corresponding time response between a point source and any point in the cavity. The acoustic resonance frequencies estimated by the Image Source Model + edge diffraction are validated by comparison with those provided by a Finite Element Model (FEM) and the ones measured experimentally, differing less than 1.6 % and 2.7 %, respectively. As a comparison, resonance frequencies estimated with the pure Image Source Model differ by 5.7 % from the measured ones.

Computational and Experimental Modelling of Mooring Lines Dynamics for Offshore Floating Wind Turbines

El cálculo de cargas de aerogeneradores flotantes requiere herramientas de simulación en el dominio del tiempo que consideren todos los fenómenos que afectan al sistema, como la aerodinámica, la dinámica estructural, la hidrodinámica, las estrategias de control y la dinámica de las líneas de fondeo. Todos estos efectos están acoplados entre sí y se influyen mutuamente. Las herramientas integradas se utilizan para calcular las cargas extremas y de fatiga que son empleadas para dimensionar estructuralmente los diferentes componentes del aerogenerador. Por esta razón, un cálculo preciso de las cargas influye de manera importante en la optimización de los componentes y en el coste final del aerogenerador flotante. En particular, el sistema de fondeo tiene gran impacto en la dinámica global del sistema. Muchos códigos integrados para la simulación de aerogeneradores flotantes utilizan modelos simplificados que no consideran los efectos dinámicos de las líneas de fondeo. Una simulación precisa de las líneas de fondeo dentro de los modelos integrados puede resultar fundamental para obtener resultados fiables de la dinámica del sistema y de los niveles de cargas en los diferentes componentes. Sin embargo, el impacto que incluir la dinámica de los fondeos tiene en la simulación integrada y en las cargas todavía no ha sido cuantificada rigurosamente. El objetivo principal de esta investigación es el desarrollo de un modelo dinámico para la simulación de líneas de fondeo con precisión, validarlo con medidas en un tanque de ensayos e integrarlo en un código de simulación para aerogeneradores flotantes. Finalmente, esta herramienta, experimentalmente validada, es utilizada para cuantificar el impacto que un modelos dinámicos de líneas de fondeo tienen en la computación de las cargas de fatiga y extremas de aerogeneradores flotantes en comparación con un modelo cuasi-estático. Esta es una información muy útil para los futuros diseñadores a la hora de decidir qué modelo de líneas de fondeo es el adecuado, dependiendo del tipo de plataforma y de los resultados esperados. El código dinámico de líneas de fondeo desarrollado en esta investigación se basa en el método de los Elementos Finitos, utilizando en concreto un modelo ”Lumped Mass” para aumentar su eficiencia de computación. Los experimentos realizados para la validación del código se realizaron en el tanque del École Céntrale de Nantes (ECN), en Francia, y consistieron en sumergir una cadena con uno de sus extremos anclados en el fondo del tanque y excitar el extremo suspendido con movimientos armónicos de diferentes periodos. El código demostró su capacidad para predecir la tensión y los movimientos en diferentes posiciones a lo largo de la longitud de la línea con gran precisión. Los resultados indicaron la importancia de capturar la dinámica de las líneas de fondeo para la predicción de la tensión especialmente en movimientos de alta frecuencia. Finalmente, el código se utilizó en una exhaustiva evaluación del efecto que la dinámica de las líneas de fondeo tiene sobre las cargas extremas y de fatiga de diferentes conceptos de aerogeneradores flotantes. Las cargas se calcularon para tres tipologías de aerogenerador flotante (semisumergible, ”spar-buoy” y ”tension leg platform”) y se compararon con las cargas obtenidas utilizando un modelo cuasi-estático de líneas de fondeo. Se lanzaron y postprocesaron más de 20.000 casos de carga definidos por la norma IEC 61400-3 siguiendo todos los requerimientos que una entidad certificadora requeriría a un diseñador industrial de aerogeneradores flotantes. Los resultados mostraron que el impacto de la dinámica de las líneas de fondeo, tanto en las cargas de fatiga como en las extremas, se incrementa conforme se consideran elementos situados más cerca de la plataforma: las cargas en la pala y en el eje sólo son ligeramente modificadas por la dinámica de las líneas, las cargas en la base de la torre pueden cambiar significativamente dependiendo del tipo de plataforma y, finalmente, la tensión en las líneas de fondeo depende fuertemente de la dinámica de las líneas, tanto en fatiga como en extremas, en todos los conceptos de plataforma que se han evaluado. ABSTRACT The load calculation of floating offshore wind turbine requires time-domain simulation tools taking into account all the phenomena that affect the system such as aerodynamics, structural dynamics, hydrodynamics, control actions and the mooring lines dynamics. These effects present couplings and are mutually influenced. The results provided by integrated simulation tools are used to compute the fatigue and ultimate loads needed for the structural design of the different components of the wind turbine. For this reason, their accuracy has an important influence on the optimization of the components and the final cost of the floating wind turbine. In particular, the mooring system greatly affects the global dynamics of the floater. Many integrated codes for the simulation of floating wind turbines use simplified approaches that do not consider the mooring line dynamics. An accurate simulation of the mooring system within the integrated codes can be fundamental to obtain reliable results of the system dynamics and the loads. The impact of taking into account the mooring line dynamics in the integrated simulation still has not been thoroughly quantified. The main objective of this research consists on the development of an accurate dynamic model for the simulation of mooring lines, validate it against wave tank tests and then integrate it in a simulation code for floating wind turbines. This experimentally validated tool is finally used to quantify the impact that dynamic mooring models have on the computation of fatigue and ultimate loads of floating wind turbines in comparison with quasi-static tools. This information will be very useful for future designers to decide which mooring model is adequate depending on the platform type and the expected results. The dynamic mooring lines code developed in this research is based in the Finite Element Method and is oriented to the achievement of a computationally efficient code, selecting a Lumped Mass approach. The experimental tests performed for the validation of the code were carried out at the `Ecole Centrale de Nantes (ECN) wave tank in France, consisting of a chain submerged into a water basin, anchored at the bottom of the basin, where the suspension point of the chain was excited with harmonic motions of different periods. The code showed its ability to predict the tension and the motions at several positions along the length of the line with high accuracy. The results demonstrated the importance of capturing the evolution of the mooring dynamics for the prediction of the line tension, especially for the high frequency motions. Finally, the code was used for an extensive assessment of the effect of mooring dynamics on the computation of fatigue and ultimate loads for different floating wind turbines. The loads were computed for three platforms topologies (semisubmersible, spar-buoy and tension leg platform) and compared with the loads provided using a quasi-static mooring model. More than 20,000 load cases were launched and postprocessed following the IEC 61400-3 guideline and fulfilling the conditions that a certification entity would require to an offshore wind turbine designer. The results showed that the impact of mooring dynamics in both fatigue and ultimate loads increases as elements located closer to the platform are evaluated; the blade and the shaft loads are only slightly modified by the mooring dynamics in all the platform designs, the tower base loads can be significantly affected depending on the platform concept and the mooring lines tension strongly depends on the lines dynamics both in fatigue and extreme loads in all the platform concepts evaluated.