Tesis:
Phase control for semi-active applications: inertial mass dampers and base isolation systems
- Autor: BARRERA VARGAS, Christian Alexander
- Título: Phase control for semi-active applications: inertial mass dampers and base isolation systems
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: INGENIERIA CIVIL: HIDRAULICA, ENERGIA Y MEDIO AMBIENTE
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/81162/
- Director/a 1º: MUÑOZ DIAZ, Iván
- Director/a 2º: GARCIA PALACIOS, Jaime
- Resumen: The new challenges of civil engineering are focused on the development of sustainable structures and the need to reduce the carbon footprint. Under these circumstances, structures will be more slender and prone to vibration problems, which give rise to the presence of local failures or collapse situations.
On the one hand, these vibrations may be due to the action of a pedestrian or group of pedestrians walking with possible resonance effects if the passing frequency, or any of its higher harmonics, is close to the natural frequency of the structure; this effect is more likely to occur in the case of lightweight structures with low mass/stiffness ratio. On the other hand, wind and earthquakes action generates vibrations on the structure. The particularity of this type of load lies in the uncertainty that exists in the dynamic characteristics of the excitation and how it can affect the structure. Without a correct evaluation of this effect, the design behavior may deviate from reality.
The most common solution to control the vibration problems consists of increasing the stiffness of the structure with two main objectives: i) to increase the fundamental frequency of the structure avoiding resonance effects and ii) to guarantee the lateral stability of the structure and reduce maximum drift caused by wind or earthquake actions.
An alternative to avoid stiffness increase in the structure is the use of passive control devices, such as Tuned Mass Dampers (TMDs) and seismic base isolators. These devices do not require additional energy for their correct operation, developing adequate behavior when they are correctly tuned or designed. However, if the modal properties of the structure change over time or other uncertainty factors are present, the passive control systems may become detuned, and their performance may be far from the expected one.
In order to alleviate the detuning or saturation problems of passive devices, semi-active devices can be used to upgrade capacities. The system maintains its passive nature with low energy demand and real-time adaptative capacities as an alternative to active control systems, where unstable behaviors may occur and high energy demand for functioning is required. In this thesis, the use of a Magnetorheological Damper (MR damper) added to a passive TMDs and to a Friction Pendulum System (FPS) isolator is explored. For both implementations, a phase control law is considered; that is, the damper activates or deactivates depending on the relative position (or acceleration) and the velocity sign.
The practical implementation is quite simple since it can be implemented by using two accelerometers, one on the structure and the other on the device, and no-structural model is needed for the implementation. The practical implementation has been tested through experimental tests carried out on a very lightweight footbridge in which human-structure-controller interaction phenomena have been considered for the design of a Semi-active Tuned Mass Damper (STMD). Additionally, realistic simulations have been undergone for friction pendulum isolators equipped with MR dampers, named as Semi-active Friction Pendulum System (SFPS). Therefore, the advantages of including semi-active dampers within the passive devices have been demonstrated in terms of performance improvements and/or reduction of the control device.
This thesis dealt with the challenge of optimizing the design of semi-active devices, which encompass both inertial controllers and isolator devices. The functional principle of the devices is based on phase control using an On-Off strategy, a continuous fixed gain control, and a variable gain control, which automatically selected its value in real time to avoid overdemand on the semi-active damper associated with the continuous fixed gain. Hence, the proposed semi-active systems controlled by phase control-based strategies enhance the passive devices in terms of effectiveness and reducing the device size.
RESUMEN
La ingeniería civil debe asumir los nuevos retos de sostenibilidad desarrollando estructuras más eficientes que generen una menor huella de carbono. Para ello, se requiere el diseño de estructuras esbeltas con menor consumo de material, dando lugar a estructuras propensas a sufrir problemas de vibraciones que pueden de generar fallos locales o colapso.
Por una parte, estas vibraciones pueden ser ocasionadas por la acción de un peatón o grupo de peatones al caminar sobre una estructura ligera con baja relación masa/rigidez, dando lugar a efectos de resonancia si la frecuencia de paso o alguno de sus armónicos coincide o está próxima a la frecuencia fundamental de la estructura. Por otra parte, el viento y los terremotos también pueden generar vibraciones sobre la estructura. La particularidad de este tipo de carga radica en la incertidumbre que existe en las características dinámicas de dicha excitación y como puede afectar a la estructura. Sin una correcta evaluación de la acción, el comportamiento esperado puede separarse de la realidad.
La solución más común frente a problemas de vibraciones consiste en un aumento de rigidez de la estructura con dos objetivos fundamentales: i) incrementar la frecuencia fundamental de la estructura para evitar los efectos de resonancia, y ii) garantizar la estabilidad lateral global de la estructura limitando los desplazamientos ocasionados por acciones de viento o terremotos.
La alternativa para evitar el incremento de rigidez es el uso de dispositivos de control pasivo, como pueden ser los amortiguadores de masa sintonizada o los aisladores sísmicos. Estos dispositivos desarrollan un comportamiento adecuado si se diseñan sintonizados con base en una excitación conocida. De existir cambios en la estructura o incertidumbres el funcionamiento se aleja del óptimo esperado.
La utilización de dispositivos semi-activos permiten atenuar el desintonizado o los problemas de saturación inherentes al dispositivo pasivo, mejorando sus capacidades. El sistema mantiene la naturaleza del dispositivo pasivo con una baja demanda de energía adaptando así la capacidad del sistema en tiempo real, sin acarrear comportamiento inestable presentes en dispositivos activos.
En esta tesis, se explora el uso de amortiguadores magneto-reológicos como dispositivo semi-activo incorporados tanto en amortiguadores de masa sintonizada como en péndulos de fricción. En ambas implementaciones, se considera el uso de una ley de control de fase para regular el comportamiento del dispositivo dependiendo de la posición relativa (o aceleración) y la velocidad registrada. Un aspecto fundamental de esta ley de control es la simplicidad al requerir el uso de dos acelerómetros, uno en la estructura y otra en el dispositivo de control, sin requerir conocer el estado completo de la estructura.
Para demostrar de forma práctica la validez de los conocimientos desarrollados en este trabajo, se han realizado ensayos experimentales en una pasarela ligera en la cual se ha considerado el fenómeno de interacción humano-estructura-controlador para el diseño de un amortiguador de masa sintonizado semi-activo. Adicionalmente, los aisladores de péndulo de fricción con amortiguadores magneto-reológicos, conocidos como sistemas de péndulo de fricción semi-activos, se han analizado bajo simulaciones realistas provenientes de terremotos registrados. Todo ello ha permitido evaluar la mejora en términos de comportamiento al incluir un dispositivo semi-activo en un actuador pasivo o en un péndulo.
Esta tesis demuestra experimentalmente, el diseño óptimo de dispositivos semi-activos inerciales y de aislamiento mediante la utilización de una ley de control de fase con base en estrategias de todo o nada, control continuo con ganancia fija y control de ganancia variable. La principal conclusión es que los sistemas semi-activos propuestos controlados por una ley de control de fase mejora el desempeño de los dispositivos y permite la reducción de su tamaño.