Identificação das propriedades dinâmicas de estruturas submetidas a ações ambientais

Abstract

A identificação de sistemas visa mensurar a descrição matemática de um sistema analisando as suas entradas e saídas. No contexto da Engenharia Civil, as estruturas como edifícios, torres e pontes são os sistemas e os parâmetros a serem identificados são as frequências naturais, razões de amortecimentos e formas modais. As entradas são os carregamentos aplicados e as saídas são as respostas estruturais, as quais podem ser medidas em termos de deslocamentos, velocidades ou acelerações. Para que o processo de identificação seja conduzido, é necessário que exista algum carregamento atuante na estrutura. Em estruturas de grande porte, a análise de sua vibração decorrente de ações ambientais torna-se mais adequada, como, por exemplo, aquelas causadas pelo vento em edifícios e torres, pelo tráfego em pontes e por pessoas em passarelas. A identificação de estruturas a partir de excitações ambientais é denominada identificação estocástica de sistemas. Nesta apenas a resposta (saída) é medida, sendo a excitação considerada como um processo estocástico multidimensional, representado tipicamente por um ruído branco. O principal objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de rotinas que permitam a simulação do processo de instrumentação e identificação de uma estrutura, visando auxiliar o planejamento das medições e aproveitar ao máximo as caraterísticas dos sensores disponíveis. Apresenta-se a teoria de identificação de sistemas no âmbito da Engenharia Civil, enfatizando métodos que utilizam apenas os dados da resposta estrutural. A partir da teoria apresentada, desenvolveu-se um módulo em linguagem Python denominado CESSIPy, o qual é público, aberto e encontra-se disponível na plataforma de hospedagem GitHub. Procedeu-se a simulação do processo de identificação de um edifício alto sob ação do vento, utilizando as forças medidas em túnel de vento e a técnica High Frequency Pressure Integration. Validaram-se as rotinas na identificação de estruturas reais: a Passarela P01 em Passo Fundo, a Passarela Domingos Martins em Canoas e a Ponte Z24 na Suíça.

The process of finding a mathematical model of a dynamic system from inputs and/or outputs is called system identification. In a civil engineering context, structures, such as buildings, towers, and bridges are the systems and the identified model is a modal model consisting of eigenfrequencies, damping ratios and modal shapes. For large structures, in-operation vibration tests are cheaper and simpler. Vehicle traffic in bridges and wind in buildings are examples of ambient excitations. When the structure is excited by an unmeasurable input force and only output measurements are available, the process is called stochastic system identification. The loads are treated as multidimensional stochastic processes, typically under the assumption of having white noise characteristics. Therefore, the main aim of this thesis is to develop a computational tool for identification of civil engineering structures from output-only data. An open-source Python code was created, which is available at GitHub website. The tool implements the frequency domain Peak-Picking (PP) method and Enhanced Frequency Domain Decomposition method (EFDD), as well as the time domain Stochastic Subspace Identification techniques (SSI COV and SSI DATA) and the Instrumental Variable method (IV). Then, the identification of a tall building excited by wind load was simulated. Boundary layer wind tunnel measurements were combined with the High Frequency Pressure Integration technique to estimate building response and modal parameters were estimated from acceleration measurements. Finally, vibration data from ambient tests of the footbridge P01 in Passo Fundo, the footbridge Domingos Martins in Canoas and the bridge Z24 in Switzerland are analyzed to extract modal parameters.