Vibration Control Strategies for Cancelling Floor Vibrations via Inertial Mass Dampers

Wang, Xidong (2018). Vibration Control Strategies for Cancelling Floor Vibrations via Inertial Mass Dampers. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.52561.

Descripción

Título: Vibration Control Strategies for Cancelling Floor Vibrations via Inertial Mass Dampers
Autor/es:
  • Wang, Xidong
Director/es:
  • Muñoz Díaz, Iván
  • Pereira González, Emiliano
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2018
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Departamento: Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Hoy en día, es bastante habitual encontrar estructuras ligeras y esbeltas con problemas en el estado límite de servicio de vibraciones. Esto es debido fundamentalmente al uso de nuevos materiales de construcción y al empleo de nuevas técnicas constructivas. Estas estructuras cumplen los estados límites últimos pero es habitual que los usuarios se quejen debido al elevado índice de vibración que suelen presentar. Estos problemas suelen aparecer en pasarelas peatonales, forjados de grandes luces, gradas en voladizo, etc. Entre los desarrollos más habituales se encuentran el uso de amortiguadores de masa inercial activos (conocidos como AMD por sus siglas en inglés) y amortiguadores de masa inercial pasivos, habitualmente conocidos como TMDs (tuned mass dampers). Las principales contribuciones de esta tesis son las que se mencionan a continuación. La primera es proponer una guía de diseño para sistemas de control activo basado en estrategias SISO, una entrada y una salida. En este guía se contemplan aspectos prácticos que son fundamentales, tales como la dinámica de los actuadores, saturaciones y los típicos problemas de inestabilidad debido a las altas frecuencias. Se ha realizado un estudio adimensional a partir del cual se han derivado reglas de diseño sencillas que aseguran la implementabilidad del control. Además, se han obtenido resultados experimentales que validan dichas reglas. El segundo objetivo es proponer una metodología común de diseño tanto de estrategias de control activo como pasivo, basadas ambas en amortiguadores inerciales. Se emplea una realimentación en lazo cerrado para diseñar los parámetros de control teniendo en cuenta tanto la naturaleza de la excitación como la percepción de la vibración por los humanos. Para la estrategia de control activo se emplea una realimentación directa de la velocidad, en este caso tanto para el diseño como para la aplicación, sin embargo, en el caso del sistema pasivo la realimentación es sólo para el diseño. La metodología desarrollada no únicamente considera sistemas de control SISO, sino que también sistemas de control de varias entradas y varias salidas (MIMO), especialmente útiles para cancelar vibraciones debidas a varios modos de vibración con frecuencias similares. Con la metodología propuesta se puede diseñar simultáneamente la localization óptima de los TMDs/AMDs así como los parámetros de control (matriz de ganancias para el sistema activo; y amortiguamientos y frecuencias de sintonizado para los pasivos). Esta metodología se ha particularizado en la cancelación de vibraciones inducidas por humanos. Así, ciertos factores se han considerado: la ponderación en frecuencias tanto de la excitación como de la respuesta considerando la naturaleza de las vibraciones inducidas por humanos, ventanas temporales de salida que aseguran la estabilidad, filtros paso-bajo y dinámicas y no linealidades del actuador. Las simulaciones que involucran todos estos elementos sin duda son fiables y llevan a diseños que funcionan en la práctica. En este trabajo también se presenta una solución al problema de la carga computacional involucrada en el proceso de optimización, fundamentalmente cuando se trata de sistemas MIMO aplicados a forjados complejos. Para abordar este problema, se ha utilizado un algoritmo meta-heurístico, llamado “Coral Reefs Optimization with Substrate Layer”, definido como un algoritmo competitivo de co-evolución con diferentes procedimientos de exploración dentro de una única población de soluciones. De esta forma, se emplea un potente algoritmo evolutivo para el problema de optimización, que ha resultado ser muy eficaz. Finalmente, en el trabajo se incluyen modelos de estructuras con el fin de implementar las contribuciones anteriormente mencionadas. Se han realizado modelos de elementos finitos de forjados que han sido calibrados mediante varios ensayos experimentales, análisis modales operacionales y análisis modales experimentales. Todo ello ha sido demostrado mediante ejemplos de aplicación en un forjado de un comedor y en un forjado de laboratorio a escala real construido durante esta tesis. ----------ABSTRACT---------- Nowadays it is quite common to find vibration serviceability problems in light and slender structures due to the developments of building materials and construction techniques. These structures satisfy ultimate limit state criteria but have the potential of attracting complaints coming from excessive human-induced vibrations. These problems can be found in pedestrian bridges, open-plan layout oors, cantilevered grandstands, etc. Among the investigations carried out, active vibration control (AVC) via inertial mass actuators (or active mass dampers, AMD) and passive vibration control (PVC) via tuned mass dampers (TMD) are the most common and efficient solutions. The main contributions of this thesis are the following. The first one is to propose a practical design guide for AVC using a single-input single-output (SISO) control strategy, which considers the most important practical issues when inertial mass actuators are used, like low-frequency dynamics, stroke saturation, force saturation and spillover problems. A non-dimensional system (actuator and structure) is considered in order to generalize the results and extract simple and effective design rules. In addition, experimental results are presented in order to validate this study. The second one is to propose a common framework/methodology for designing AVC and PVC to control the aforementioned human-induced vibrations. This framework uses a feedback loop for the design of control parameters and accounts for the nature of human excitation and how humans feel the vibration. For an AVC system, the well-known direct velocity feedback strategy is used (for both the design and application); however, for the PVC, the feedback loop is only for designing purposes. The methodology developed considers not only SISO control systems, but also multi-input multi-output (MIMO) control systems, especially useful to cancel vibrations coming from coupled vibration modes with closely-spaced natural frequencies. The strategy finds simultaneously the optimal placements of the TMDs/AMDs and the system parameters (control gain matrix for AVC; damping ratios and tuning frequencies for TMDs of PVC). To make this strategy implementable and suitable to cancel human-induced vibrations, elements such as input-output frequency weighting, output time weighting, band-pass filters, actuator dynamics and non-linearities are considered. Simulations account for all these elements, providing thus reliable results. This work also presents an approach to alleviate the computational burden problem when an optimal MIMO AVC is designed. This computational problem is especially important when complex oor structures have to be dealt with, such as oors with a large number of vibration modes (global and local) and with a large number of test points. To tackle this problem, a novel meta-heuristic algorithm is used, which is denoted as Coral Reefs Optimization with Substrate Layer, as a competitive co-evolution algorithm with different exploration procedures within a single population of solutions. This promotes a powerful evolutionary-like algorithm for optimization problems, which has been shown to be very effective for this particular problem of MIMO AVC design. Finally, this work includes models of structures in order to implement the aforementioned contributions. Thus, finite element models of oors are derived and calibrated through several operational modal analyses and experimental modal analyses. This is demonstrated by application examples: an in-service dining hall oor and a full-scale laboratory oor structure built during this thesis.

Proyectos asociados

TipoCódigoAcrónimoResponsableTítulo
Gobierno de EspañaDPI2013-47441-PREVES-PSin especificarDesarrollo de nuevos sistemas de reducción de vibraciones en estructuras peatonales

Más información

ID de Registro: 52561
Identificador DC: http://oa.upm.es/52561/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:52561
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.52561
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 10 Oct 2018 05:37
Ultima Modificación: 19 Oct 2018 11:04
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