Orientador: Fábio Roberto Chavarette / Resumo: Uma das formas de eliminar as vibrações excessivas em uma estrutura é através de um controle passivo com o uso de amortecedores de massas sintonizados (AMS), ou também denominados, absorvedores dinâmicos. Um sistema passivo típico não tem suas propriedades mecânicas modificadas, em função da excitação de entrada. O sistema passivo utiliza o movimento da estrutura para produzir um movimento relativo nos dispositivos de amortecimento, pelo qual a energia é dissipada. Neste trabalho, destaca-se que o dispositivo considerado apresenta dependência cúbica do deslocamento proporcional à sua rigidez. O problema é modelado através de equações diferenciais ordinárias não lineares que são linearizadas em torno de seu ponto de equilíbrio. Mediante simulação numérica, utilizando o software Octave, demonstra-se a eficiência de um AMS aplicado a uma estrutura sob influência de oscilações sísmicas inseridas através do modelo de Kanai-Tajimi, que simulam uma situação real, em que as propriedades de solos são introduzidas. Estas oscilações promovem alterações nas propriedades dinâmicas, causando assim uma instabilidade na estrutura, em que foram utilizados parâmetros para encontrar o comportamento caótico no sistema. Como forma de minimizar as vibrações causadas pela excitação sísmica foi proposto um controle híbrido estrutural. Basicamente o controle estrutural se dá pela adição de dispositivos e/ou forças externas que promovem alterações nas propriedades de rigidez e amortecimento da estrutu... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: One of the ways to eliminate excessive vibrations in a structure is through a passive control with the use of shock absorbers tuned mass (ATM) or also called, dynamic absorbers. A typical passive system does not have its mechanical properties modified in function of an excitation input. The passive system uses the movement of the structure to produce a relative movement in the absorbers device, where by the energy is dissipated. In this work, it is noteworthy that the considered device introduces a cubic dependence of the proportional displacement to its rigidity. The problem is modeled through out nonlinear ordinary differential equations that are linearized around their equilibrium point. By numerical simulations, using Octave software, it demonstrates the efficiency of a ATM applied to a structure under the influence of seismic oscillations inserted over Kanai-Tajimi’s model, that simulates a real situation in which the properties of the soils are introduced. These oscillations promote changes in the dynamic properties, thus causing an instability in the structure where there were used parameters to find chaotic behavior in the system. In order to minimize the vibrations caused by seismic excitation it is proposed a hybrid structural control. Basically structural control takes place by addition devices and/or external forces that promote alterations in the stiffness properties and the structure absorber. For minimize vibrations and reduce the chaotic motion of the system t... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Nós estudamos o controle estrutural dos veios de pegmatitos graníticos (tipo F-ETR-Li) associados à fácies albita granito (AEG) do granito Madeira (~1.83Ga). Esta fácies corresponde ao depósito, de classe mundial, de Sn-Nb-Ta-F (criolita) da mina de Pitinga. Atualmente, esses pegmatitos ricos em ETR (xenotima e gagarinita) são explorados junto com o minério disseminado, porém possuem potencial para exploração por lavra seletiva. Todos os pegmatitos possuem arranjo geométrico e mineralogia similares, o que sugere mesma fonte. Também possuem mineralogia igual à da encaixante e seu alojamento ocorreu na própria rocha parental. O arranjo geométrico dos pegmatitos foi controlado por estruturas contracionais frágeis (falhas inversas, leques de imbricação e cavalos). Os planos de falhas inversas (N320/60SW) serviram como condutos para o fluido que se alojou preferencialmente em fraturas horizontais distensivas. O arranjo geométrico bem definido dessas estruturas e o fato de que também há planos de falhas inversas sem pegmatitos demonstram que as fraturas que hospedam os pegmatitos não foram formadas pela pressão do fluido. A orientação das estruturas contracionais no AEG indica que ocorreu um transporte de SW para NE. Como este corpo possui pequena dimensão, resfriou-se rapidamente. Contudo, sua localização na crosta superior fria e a baixa temperatura solidus permitiram a formação dos pegmatitos. No nível estrutural em que se encontram os pegmatitos estudados, quando esses veios se alojaram, o AEG estava cristalizado e posicionado acima da profundidade crustal crítica, onde o estresse normal mínimo é vertical. / We study the structural control of pegmatites (F-REE-Li vein-type granite pegmatite) associated to the albite-enriched granite facies (AEG) of the Madeira A-type granite (~1.83 Ga). This facies corresponds to the Madeira world-class Sn-Nb-Ta-F (cryolite) deposit at the Pitinga mine. These REE-rich pegmatites (xenotime and gagarinite), presently exploited together with the disseminated ore, have potential to explotation by selective mining. They have a common geometric arrangement and share a same mineralogy, therefore they all originate from the same source. They have the same mineralogical composition of the host rock and their emplacement occurred in the parental rock itself. The geometric arrangement of the pegmatites is settled by contractional brittle structures (reverse faults, imbrication fans and horses). The reverse fault planes (~N320/60SW) were essentially the conduits for the fluid. The preferential sites for the pegmatites bodies were the horizontal tensile fractures. The well-marked geometric arrangement of the tectonic structures and the fact that there are also reverse faults planes without pegmatites show that the fractures that host the pegmatites were not formed by the fluid pressure. The orientation of the contractional structures in the AEG indicates a transport from SW to NE. With reduced surface dimensions, the AEG cooled fast, however its location in the cold upper crust and the low solidus temperature allowed pegmatites formation. At the structural level of the studied pegmatites, when these veins positioned, the AEG was crystallized in a position above the critical crustal depth, where minimum normal stress is vertical.

Nós estudamos o controle estrutural dos veios de pegmatitos graníticos (tipo F-ETR-Li) associados à fácies albita granito (AEG) do granito Madeira (~1.83Ga). Esta fácies corresponde ao depósito, de classe mundial, de Sn-Nb-Ta-F (criolita) da mina de Pitinga. Atualmente, esses pegmatitos ricos em ETR (xenotima e gagarinita) são explorados junto com o minério disseminado, porém possuem potencial para exploração por lavra seletiva. Todos os pegmatitos possuem arranjo geométrico e mineralogia similares, o que sugere mesma fonte. Também possuem mineralogia igual à da encaixante e seu alojamento ocorreu na própria rocha parental. O arranjo geométrico dos pegmatitos foi controlado por estruturas contracionais frágeis (falhas inversas, leques de imbricação e cavalos). Os planos de falhas inversas (N320/60SW) serviram como condutos para o fluido que se alojou preferencialmente em fraturas horizontais distensivas. O arranjo geométrico bem definido dessas estruturas e o fato de que também há planos de falhas inversas sem pegmatitos demonstram que as fraturas que hospedam os pegmatitos não foram formadas pela pressão do fluido. A orientação das estruturas contracionais no AEG indica que ocorreu um transporte de SW para NE. Como este corpo possui pequena dimensão, resfriou-se rapidamente. Contudo, sua localização na crosta superior fria e a baixa temperatura solidus permitiram a formação dos pegmatitos. No nível estrutural em que se encontram os pegmatitos estudados, quando esses veios se alojaram, o AEG estava cristalizado e posicionado acima da profundidade crustal crítica, onde o estresse normal mínimo é vertical. / We study the structural control of pegmatites (F-REE-Li vein-type granite pegmatite) associated to the albite-enriched granite facies (AEG) of the Madeira A-type granite (~1.83 Ga). This facies corresponds to the Madeira world-class Sn-Nb-Ta-F (cryolite) deposit at the Pitinga mine. These REE-rich pegmatites (xenotime and gagarinite), presently exploited together with the disseminated ore, have potential to explotation by selective mining. They have a common geometric arrangement and share a same mineralogy, therefore they all originate from the same source. They have the same mineralogical composition of the host rock and their emplacement occurred in the parental rock itself. The geometric arrangement of the pegmatites is settled by contractional brittle structures (reverse faults, imbrication fans and horses). The reverse fault planes (~N320/60SW) were essentially the conduits for the fluid. The preferential sites for the pegmatites bodies were the horizontal tensile fractures. The well-marked geometric arrangement of the tectonic structures and the fact that there are also reverse faults planes without pegmatites show that the fractures that host the pegmatites were not formed by the fluid pressure. The orientation of the contractional structures in the AEG indicates a transport from SW to NE. With reduced surface dimensions, the AEG cooled fast, however its location in the cold upper crust and the low solidus temperature allowed pegmatites formation. At the structural level of the studied pegmatites, when these veins positioned, the AEG was crystallized in a position above the critical crustal depth, where minimum normal stress is vertical.

Offshore wind turbines have the potential to be an important part of the United States' energy production profile in the coming years. In order to accomplish this wind integration, offshore wind turbines need to be made more reliable and cost efficient to be competitive with other sources of energy. To capitalize on high speed and high quality winds over deep water, floating platforms for offshore wind turbines have been developed, but they suffer from greatly increased loading. One method to reduce loads in offshore wind turbines is the application of structural control techniques usually used in skyscrapers and bridges. Tuned mass dampers are one structural control system that have been used to reduce loads in simulations of offshore wind turbines. This thesis adds to the state of the art of offshore wind energy by developing a set of optimum passive tuned mass dampers for four offshore wind turbine platforms and by quantifying the effects of actuator dynamics on an active tuned mass damper design. The set of optimum tuned mass dampers are developed by creating a limited degree-of-freedom model for each of the four offshore wind platforms. These models are then integrated into an optimization function utilizing a genetic algorithm to find a globally optimum design for the tuned mass damper. The tuned mass damper parameters determined by the optimization are integrated into a series of wind turbine design code simulations using FAST. From these simulations, tower fatigue damage reductions of between 5 and 20% are achieved for the various TMD configurations. A previous study developed a set of active tuned mass damper controllers for an offshore wind turbine mounted on a barge. The design of the controller used an ideal actuator in which the commanded force equaled the applied force with no time lag. This thesis develops an actuator model and conducts a frequency analysis on a limited degree-of-freedom model of the barge including this actuator model. Simulations of the barge with the active controller and the actuator model are conducted with FAST, and the results are compared with the ideal actuator case. The realistic actuator model causes the active mass damper power requirements to increase drastically, by as much as 1000%, which confirms the importance of considering an actuator model in controller design.

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[pt] Neste trabalho é apresentado um método numérico de resolução para a equação diferencial de placas: o método de Galerkin Iterativo. O método é utilizado para obtenção das cargas críticas de flambagem e das freqüências naturais para placas retangulares com condições de contorno arbitrárias. São determinados ainda os modos de vibração de placas para diversas condições de contorno. É também apresentada uma análise do comportamento estático e dinâmico de placas planas retangulares. Utilizando-se dos resultados obtidos nesta análise e do método de Galerkin Iterativo, analisa- se a influência dos carregamentos axiais sobre as propriedades de vibração de uma placa com diversas condições de contorno, como proposta de um meio de controle passivo de vibrações em placas retangulares. Realiza-se uma análise linear para o carregamento no plano médio da placa e outra não-linear no caso de placas submetidas a carregamentos excêntricos, ou seja, fora do plano médio da placa. Mostra-se que o método de Galerkin Iterativo permite a obtenção de modos de vibração ortogonais possibilitando a resolução de problemas dinâmicos através do método de superposição de modos. Além disso, mostra-se que o método de controle passivo de vibrações em placas, através da aplicação de forças de compressão no plano, reduz a amplitude da resposta na região de ressonância. / [en] The aim of this work is to present a procedure for the solution of differential equations for plates: the Iterative Galerkin method. With the aid of this method, the buckling loads and natural frequencies of plates are obtained for plates with arbitrary sets of boundary conditions. The vibration modes of plates with various boundary conditions are obtained and compared with results found in literature. An analysis of the static and dynamic behavior of unloaded and in-plane loaded rectangular plates is presented. The use of in-plane loads as a passive vibration control technique for rectangular plates is investigated using the results obtained by the Iterative Galerkin`s method. A linear analysis is conducted for loads applied on the plate mid-surface and a non-linear one for plates with in-plane eccentric loads. Moreover, it is shown that the Iterative Galerkin method leads to a set of orthogonal vibration modes allowing the use of superposition methods in the solution of dynamic problems. Furthermore, the results show that the proposed passive vibration control through the use of in- plane compression loads, decrease the response in the resonance region.

"Maintaining an efficient and reliable infrastructure requires continuous monitoring and control. In order to accomplish these tasks, algorithms are needed to process large sets of data and for modeling based on these processed data sets. For this reason, computationally efficient and accurate modeling algorithms along with data compression techniques and optimal yet practical control methods are in demand. These tools can help model structures and improve their performance. In this thesis, these two aspects are addressed separately. A principal component analysis based adaptive neuro-fuzzy inference system is proposed for fast and accurate modeling of time-dependent behavior of a structure integrated with a smart damper. Since a smart damper can only dissipate energy from structures, a challenge is to evaluate the dissipativity of optimal control methods for smart dampers to decide if the optimal controller can be realized using the smart damper. Therefore, a generalized deterministic definition for dissipativity is proposed and a commonly used controller, LQR is proved to be dissipative. Examples are provided to illustrate the effectiveness of the proposed modeling algorithm and evaluating the dissipativity of LQR control method. These examples illustrate the effectiveness of the proposed modeling algorithm and dissipativity of LQR controller."

Estruturas flexíveis estão sujeitas a excitações desconhecidas que podem causar danos. Um dos possíveis artifícios para lidar com este problema é a teoria de controle de sistemas dinâmicos. Em particular, uma técnica que suscita o interessa para aplicação nesta classe de sistemas é o controle ótimo, devido às suas boas propriedades de resposta e factibilidade, podendo ser aplicado até através de circuitos analógicos. O contratempo desta técnica é a necessidade de um número de sensores igual ao número de estados do sistema, o que para estruturas é inviável. Como uma alternativa, pode se empregar os procedimentos usuais de restrição de realimentação do sinal medido. No entanto, estes casos não consideram o projeto das matrizes de saída e entrada, fator determinante para o controle de vibrações em estruturas. O objetivo deste trabalho é preencher esta lacuna. Inicialmente, são introduzidos alguns conceitos das teorias de controle ótimo, dinâmica estrutural e sobre métodos de discretização em séries. Em seguida, determinam-se as condições necessárias de otimalidade considerando como variáveis de otimização o ganho e as posições dos sensores e atuadores. Determinadas as condições, investigam-se os principais desafios para solução destas equações, dados pela existência de parâmetros que estabilizem o sistema e a dependência do ponto ótimo em relação à condição inicial do sistema. O primeiro é resolvido a partir da especificação do sistema linear para uma forma modal e utilizando funções de controle de Lyapunov, o que adicionalmente proporciona o resultado de que o controle colocalizado é um controle ótimo. Para o segundo são propostas duas soluções, sendo uma utilizada para determinar as posições dos atuadores para projetar um controle LQR com desempenho satisfatório, e a outra para determinar os ganhos e posições dos sensores de modo a obter um controle com realimentação de saída com desempenho próximo ao LQR projetado. Os resultados obtidos a partir da aplicação da metodologia desenvolvida em exemplos da dinâmica estrutural revelaram um desempenho notável. Mesmo para uma razão pequena entre o número de sensores pelo número de estados obteve-se um desempenho equivalente ao LQR, exibindo também propriedades robustez consideráveis em relação às variáveis de otimização. Conclui-se que a metodologia desenvolvida é uma boa alternativa para as técnicas de controle LQR e LQG. / Flexible structures are subject to unknown excitations that may cause damage. One of the possible artifices to deal with this problem is the control theory of dynamical systems. In particular, a technique that raises the interest for application in this class of systems is the optimal control, due to its good properties of response and feasibility, as it can be applied even through analog circuits. A drawback of this technique is the need for a number of sensors equal to the number of states, which for structures is impracticable. As an alternative, the usual procedures of using only measured signals for feedback can be employed. However, these cases do not consider the design of the input and output matrices, a determining factor for vibration control in structures. The purpose of this paper is to fill this gap. Initially, some concepts of the theories of optimal control, structural dynamics and series discretization methods are introduced. Then, the optimality conditions are determined considering the gain and locations of sensors and actuators as the optimization variables. Given these conditions, we investigate the main challenges to solve these equations, given by the existence of parameters that stabilize the system and the dependence of the optimum point in relation to the initial condition of the system. The first one is solved from the specification of the linear system to a modal form and using Lyapunov control functions, which additionally provides the result that the collocated control is an optimal control. For the second two solutions are proposed, one being used to determine the positions of the actuators to design a LQR control with satisfactory performance, and the other to determine the gains and positions of the sensors in order to obtain an output feedback control with close performance to the designed LQR. The results obtained from the application of the methodology developed in structural dynamics examples revealed a remarkable performance. Even for a small ratio between the number of sensors by the number of states a performance equivalent to the LQR was obtained, also exhibiting considerable robustness properties in relation to the optimization variables. It is concluded that the developed methodology is a good alternative for LQR and LQG control techniques.

Shape Memory Alloys (SMAs) exhibit the ability to undergo large deformations but can recover permanent strains via heating (shape memory effect) or when stress is removed (superelastic effect). This study evaluates the comparative seismic performance of steel moment resisting frames (SMRFs) with innovative beam-to-column connections that use SMA bars as connecting elements. The performance evaluation studies are based on two types of SMA beam-to-column connections: (1) superelastic SMA connections with recentering capability; (2) martensitic SMA connections with high energy dissipation capacity. Fiber models for these SMA connections are implemented in the OpenSees finite element framework, and are verified against data from full-scale experimental tests that were performed on a prototype SMA connection in previous research at Georgia Tech. Three- and a nine-story model buildings with partially-restrained (PR) moment frames are selected from the SAC Phase II Project as case studies. Non-linear time history analyses on these model buildings, with and without SMA connections, are conducted using suites of ground acceleration records from the SAC Phase II project that represent different seismic hazard levels. Several SMA connections are designed for each structure, and their effect on peak and residual inter-story drift angles, connection rotations, and normalized dissipated hysteretic energy demands are investigated to determine the most suitable design. Finally, the seismic demands on the model buildings with conventional PR and selected SMA connections are evaluated in a probabilistic framework. The resulting seismic demand relationships are used to assess the effectiveness of the SMA connections in enhancing the building performance over a range of demand levels. The results of this performance evaluation show that the SMA connections are most effective in controlling structural response under high levels of seismic intensity leading to large deformation demands. In particular, the energy dissipating SMA connections are found to be effective in reducing maximum deformation demands, while the recentering SMA connections are more suitable for controlling residual deformations in the structure.

Estruturas flexíveis estão sujeitas a excitações desconhecidas que podem causar danos. Um dos possíveis artifícios para lidar com este problema é a teoria de controle de sistemas dinâmicos. Em particular, uma técnica que suscita o interessa para aplicação nesta classe de sistemas é o controle ótimo, devido às suas boas propriedades de resposta e factibilidade, podendo ser aplicado até através de circuitos analógicos. O contratempo desta técnica é a necessidade de um número de sensores igual ao número de estados do sistema, o que para estruturas é inviável. Como uma alternativa, pode se empregar os procedimentos usuais de restrição de realimentação do sinal medido. No entanto, estes casos não consideram o projeto das matrizes de saída e entrada, fator determinante para o controle de vibrações em estruturas. O objetivo deste trabalho é preencher esta lacuna. Inicialmente, são introduzidos alguns conceitos das teorias de controle ótimo, dinâmica estrutural e sobre métodos de discretização em séries. Em seguida, determinam-se as condições necessárias de otimalidade considerando como variáveis de otimização o ganho e as posições dos sensores e atuadores. Determinadas as condições, investigam-se os principais desafios para solução destas equações, dados pela existência de parâmetros que estabilizem o sistema e a dependência do ponto ótimo em relação à condição inicial do sistema. O primeiro é resolvido a partir da especificação do sistema linear para uma forma modal e utilizando funções de controle de Lyapunov, o que adicionalmente proporciona o resultado de que o controle colocalizado é um controle ótimo. Para o segundo são propostas duas soluções, sendo uma utilizada para determinar as posições dos atuadores para projetar um controle LQR com desempenho satisfatório, e a outra para determinar os ganhos e posições dos sensores de modo a obter um controle com realimentação de saída com desempenho próximo ao LQR projetado. Os resultados obtidos a partir da aplicação da metodologia desenvolvida em exemplos da dinâmica estrutural revelaram um desempenho notável. Mesmo para uma razão pequena entre o número de sensores pelo número de estados obteve-se um desempenho equivalente ao LQR, exibindo também propriedades robustez consideráveis em relação às variáveis de otimização. Conclui-se que a metodologia desenvolvida é uma boa alternativa para as técnicas de controle LQR e LQG. / Flexible structures are subject to unknown excitations that may cause damage. One of the possible artifices to deal with this problem is the control theory of dynamical systems. In particular, a technique that raises the interest for application in this class of systems is the optimal control, due to its good properties of response and feasibility, as it can be applied even through analog circuits. A drawback of this technique is the need for a number of sensors equal to the number of states, which for structures is impracticable. As an alternative, the usual procedures of using only measured signals for feedback can be employed. However, these cases do not consider the design of the input and output matrices, a determining factor for vibration control in structures. The purpose of this paper is to fill this gap. Initially, some concepts of the theories of optimal control, structural dynamics and series discretization methods are introduced. Then, the optimality conditions are determined considering the gain and locations of sensors and actuators as the optimization variables. Given these conditions, we investigate the main challenges to solve these equations, given by the existence of parameters that stabilize the system and the dependence of the optimum point in relation to the initial condition of the system. The first one is solved from the specification of the linear system to a modal form and using Lyapunov control functions, which additionally provides the result that the collocated control is an optimal control. For the second two solutions are proposed, one being used to determine the positions of the actuators to design a LQR control with satisfactory performance, and the other to determine the gains and positions of the sensors in order to obtain an output feedback control with close performance to the designed LQR. The results obtained from the application of the methodology developed in structural dynamics examples revealed a remarkable performance. Even for a small ratio between the number of sensors by the number of states a performance equivalent to the LQR was obtained, also exhibiting considerable robustness properties in relation to the optimization variables. It is concluded that the developed methodology is a good alternative for LQR and LQG control techniques.