Tese de doutoramento. Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de doutoramento. Engenharia Civil. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-05-16Bitstream added on 2014-06-13T18:31:07Z : No. of bitstreams: 1 nunesjr_oa_me_ilha.pdf: 970524 bytes, checksum: 9726745cf5f299c04ce31a23c4988b5c (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A Análise Modal envolvendo apenas as respostas da estrutura é ainda um desafio que requer o uso de técnicas de identificação especiais. Este trabalho discute a identificação baseada apenas na resposta utilizando um método de identificação no tempo, mais especificamente, o método Identificação Estocástica de Subespaço. É mostrado que uma estrutura vibrando excitada por forças não conhecidas, pode ser modelada como um modelo de espaço de estado estocástico. A partir da aplicação de técnicas numéricas robustas como fatorização QR e Decomposição em Valores Singulares para a matriz bloco de Hankel semi-infinita, contendo os dados de resposta, é obtida a estimativa dos estados do modelo. Uma vez que os estados são conhecidos, o sistema de matrizes é encontrado através da solução de um problema de mínimos quadrados. Encontrado o modelo matemático da estrutura, os parâmetros modais são estimados diretamente através da decomposição em autovalores. O trabalho apresenta ainda uma metodologia que utiliza a função densidade de probabilidade para identificar possíveis componentes harmônicos contidos nos sinais de respostas. Os sinais são filtrados em uma faixa de freqüência contendo um provável modo e é verificado se este corresponde a um modo natural ou operacional. A metodologia é avaliada com dados simulados e experimentais e os resultados obtidos mostraram-se promissores para identificação dos parâmetros modais de sistemas estocásticos lineares e invariantes no tempo, utilizando apenas as respostas. / Modal analysis using output-only measurements is still a challenge in the experimental modal analysis community. It requires the use of special modal identification techniques. This work discusses the concepts involved in the output-only modal analysis and the implementation of the Stochastic Subspace Identification time domain method. It is shown that a vibrating structure excited by an unknown force can be modelled as a stochastic state space model. In this approach, the SSI method estimates the state sequences directly from the response data and the modal parameters are estimated by using the eigenvalues decomposition of the state matrix. The steps of the procedure are implemented using the well-known numerical linear algebra algorithms, Singular Value Decomposition and the QR decomposition. It also includes a methodology based on the Probability Density Function to identify harmonic components of the response signals. The signals are filtering in a range of frequency containing a mode, to verify if it is a natural or operational mode. The approach is evaluated with simulated and experimental data and the results have shown to be promising to identify the modal parameters of stochastic linear time-invariant systems, based only on the output data.

Apresenta uma nova técnica de identificação estocástica para estruturas sujeitas a excitação ambiente utilizando um método não recursivo, a análise estatística e a transformada wavelet. A análise estatística contribui para a seleção da melhor ordem para o sistema e automação dos procedimentos computacionais. Em geral há dificuldade para a identificação de baixas freqüências. A transformada wavelet é uma ferramenta fundamental para a compressão de dados e torna possível a identificação completa incluindo baixas freqüências e modos acoplados, além de melhorar significativamente a eficiência computacional do método. É apresentado o estudo de três sistemas simulados e os resultados obtidos são comparados aos parâmetros modais teóricos. / A new form to carry out stochastic identification of structures in operational conditions using a non recursive method, the statistic analysis and the wavelet transform, is presented. The statistic analysis contributed to select the best system order and to automation of computational procedures. In general the identification of low frequencies is a difficult task. The wavelet transform is an essential tool for compression of data making possible the complete identification including low frequencies. In addition it improves the computational efficiency. The study of three simulated system is presented and the results are compared with the analytical modal parameters.

A análise de vibrações nos sistemas estruturais e rotativos permite detectar problemas indesejáveis, como a fadiga estrutural e o desgaste excessivo, que contribuem para a redução da vida útil do sistema e seus componentes. Tradicionalmente, a medição das vibrações é realizada por sensores de contato (acelerômetros e extensômetros), que possuem como inconveniente a adição de sua massa no sistema. Como alternativa, existem os sensores de não contato (LVD e ESPI), que são equipamentos de custo elevado. Este trabalho visa o desenvolvimento de um equipamento de baixo custo que realize medições multi-pontos sem contato do comportamento vibratório de estruturas e eixos rotativos. O método proposto utiliza como base os princípios da fotogrametria em conjunto com técnicas de subamostragem, que são utilizadas em estruturas ou máquinas com frequências de vibração conhecidas (e.g máquinas rotativas). A metodologia foi inicialmente aplicada em uma viga engastada-livre, excitada periodicamente por um shaker eletrodinâmico e posteriormente em um sistema rotativo montado em um bancada de testes. A viabilidade em se utilizar o método foi verificada comparando os resultados obtidos com as medições realizadas por um vibrômetro laser Doppler, no caso do sistema estrutural, e por sensores de proximidade indutivo nas vibrações do eixo rotativo. Com base nos comparativos, conclui-se que este método, mesmo apresentando limitações de resolução, pode ser perfeitamente empregado em medições de sistemas estruturais e rotativos assim como na análise modal operacional de estruturas. / The analysis of vibrations in structural and rotating systems allows the detection of undesirable problems, such as the structural fatigue and excessive wear, which contribute to the reduction of the useful life of the systems and their components. Traditionally, the measurement of vibrations is carried out by contacting sensors (accelerometers and strain gauges), which have the inconvenience of adding mass into the system. Alternativelly, there are the non-contacting sensors (LVD and ESPI), which are high cost equipments. This work aims at developing a low cost equipment that carry out multi-point non-contact measurements of the vibratory behavior of structures and rotating shafts. The proposed method uses as a basis the principles of photogrammetry together with sub-sampling techniques, which are used in structure or machines with known vibration frequencies (e.g rotating machines). The methodology was initially applied on a cantilever beam, periodically excited by an electrodynamic shaker and later in a rotating system mounted on a test bench. The feasibility of using the method was verified comparing the results obtained with measurements from a laser Doppler vibrometer, in the case of the structural system, and with inductive proximity sensors in the rotating shaft vibration. Based on the comparison analysis, one observes that this method can be perfectly used in vibration measurements in structural and rotating systems even with limitations in resolution as well as in operational modal analysis of structures.

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver novas alternativas de identificação modal para estruturas sob excitações em condição de operação baseadas em funções de transmissibilidade. Recentes metodologias formuladas sobre conceitos de transmissibilidade têm surgido como alternativa para a identificação de parâmetros modais de estruturas. A identificação nestas metodologias é independente do espectro da excitação, sendo uma vantagem importante com respeito a metodologias anteriores no domínio da frequência que supõem a excitação como ruído branco. Dessa forma, aproveitando os diferentes trabalhos dirigidos a avaliar parâmetros modais com uso da transmissibilidade, são propostas três novas alternativas. A primeira delas propõe a decomposição de valores singulares sobre matrizes de funções de transmissibilidade escalar com densidade espectral para estimar frequências naturais e modos de vibração. A segunda alternativa propõe o conceito de funções de transmissibilidade multivariável com diferente referência para a identificação modal. E a terceira introduz uma melhora na primeira alternativa incluindo a possibilidade da estimação de taxas de amortecimento. Uma ferramenta computacional para a análise modal é desenvolvida como apoio para as simulações numéricas de verificação das metodologias de identificação modal propostas. Diferentes exemplos numéricos com uma viga submetida a excitações de ruído colorido mostram que os métodos propostos são capazes de identificar parâmetros modais sem a introdução das frequências adicionais devido às excitações de ruído colorida utilizadas. Além disso, os dados de um teste de vibrações sobre uma ponte em operação foram utilizados para verificar os métodos. / This research aims to develop new alternatives of modal identification for structures under excitation in operation condition based on transmissibility functions. Latest methodologies based on transmissibility concepts have been arising as alternatives for modal parameter identification of structures. Modal parameter identification in this type methodology is input spectrum independent being an important advantage with respect previous frequency domain methods that assumes white noise excitation. Different alternatives of modal identification based on transmissibility functions are proposed in this work. The first of them proposes singular value decomposition on scalar transmissibility functions matrices with spectral density to estimate natural frequencies and vibration modes (PSDTM-SVD method). A second alternative proposes the concept of multivariable transmissibility functions with different transferring outputs for modal parameter identification. And the third alternative proposes an enhanced PSDTM-SVD method, which permits to identify modal damping. Computational tool for modal analysis is developed as a support for the numerical simulations of verification of modal identification methodologies proposed. Different numerical examples of a beam model subjected to colored noise excitations show that the proposed methods are capable of identifying modal parameters without the introduction of the additional frequencies due to the excitations used. Furthermore, data from an operational vibration bridge test were used to verify the methods.

Apresenta uma nova técnica de identificação estocástica para estruturas sujeitas a excitação ambiente utilizando um método não recursivo, a análise estatística e a transformada wavelet. A análise estatística contribui para a seleção da melhor ordem para o sistema e automação dos procedimentos computacionais. Em geral há dificuldade para a identificação de baixas freqüências. A transformada wavelet é uma ferramenta fundamental para a compressão de dados e torna possível a identificação completa incluindo baixas freqüências e modos acoplados, além de melhorar significativamente a eficiência computacional do método. É apresentado o estudo de três sistemas simulados e os resultados obtidos são comparados aos parâmetros modais teóricos. / A new form to carry out stochastic identification of structures in operational conditions using a non recursive method, the statistic analysis and the wavelet transform, is presented. The statistic analysis contributed to select the best system order and to automation of computational procedures. In general the identification of low frequencies is a difficult task. The wavelet transform is an essential tool for compression of data making possible the complete identification including low frequencies. In addition it improves the computational efficiency. The study of three simulated system is presented and the results are compared with the analytical modal parameters.

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver novas alternativas de identificação modal para estruturas sob excitações em condição de operação baseadas em funções de transmissibilidade. Recentes metodologias formuladas sobre conceitos de transmissibilidade têm surgido como alternativa para a identificação de parâmetros modais de estruturas. A identificação nestas metodologias é independente do espectro da excitação, sendo uma vantagem importante com respeito a metodologias anteriores no domínio da frequência que supõem a excitação como ruído branco. Dessa forma, aproveitando os diferentes trabalhos dirigidos a avaliar parâmetros modais com uso da transmissibilidade, são propostas três novas alternativas. A primeira delas propõe a decomposição de valores singulares sobre matrizes de funções de transmissibilidade escalar com densidade espectral para estimar frequências naturais e modos de vibração. A segunda alternativa propõe o conceito de funções de transmissibilidade multivariável com diferente referência para a identificação modal. E a terceira introduz uma melhora na primeira alternativa incluindo a possibilidade da estimação de taxas de amortecimento. Uma ferramenta computacional para a análise modal é desenvolvida como apoio para as simulações numéricas de verificação das metodologias de identificação modal propostas. Diferentes exemplos numéricos com uma viga submetida a excitações de ruído colorido mostram que os métodos propostos são capazes de identificar parâmetros modais sem a introdução das frequências adicionais devido às excitações de ruído colorida utilizadas. Além disso, os dados de um teste de vibrações sobre uma ponte em operação foram utilizados para verificar os métodos. / This research aims to develop new alternatives of modal identification for structures under excitation in operation condition based on transmissibility functions. Latest methodologies based on transmissibility concepts have been arising as alternatives for modal parameter identification of structures. Modal parameter identification in this type methodology is input spectrum independent being an important advantage with respect previous frequency domain methods that assumes white noise excitation. Different alternatives of modal identification based on transmissibility functions are proposed in this work. The first of them proposes singular value decomposition on scalar transmissibility functions matrices with spectral density to estimate natural frequencies and vibration modes (PSDTM-SVD method). A second alternative proposes the concept of multivariable transmissibility functions with different transferring outputs for modal parameter identification. And the third alternative proposes an enhanced PSDTM-SVD method, which permits to identify modal damping. Computational tool for modal analysis is developed as a support for the numerical simulations of verification of modal identification methodologies proposed. Different numerical examples of a beam model subjected to colored noise excitations show that the proposed methods are capable of identifying modal parameters without the introduction of the additional frequencies due to the excitations used. Furthermore, data from an operational vibration bridge test were used to verify the methods.

A análise de vibrações nos sistemas estruturais e rotativos permite detectar problemas indesejáveis, como a fadiga estrutural e o desgaste excessivo, que contribuem para a redução da vida útil do sistema e seus componentes. Tradicionalmente, a medição das vibrações é realizada por sensores de contato (acelerômetros e extensômetros), que possuem como inconveniente a adição de sua massa no sistema. Como alternativa, existem os sensores de não contato (LVD e ESPI), que são equipamentos de custo elevado. Este trabalho visa o desenvolvimento de um equipamento de baixo custo que realize medições multi-pontos sem contato do comportamento vibratório de estruturas e eixos rotativos. O método proposto utiliza como base os princípios da fotogrametria em conjunto com técnicas de subamostragem, que são utilizadas em estruturas ou máquinas com frequências de vibração conhecidas (e.g máquinas rotativas). A metodologia foi inicialmente aplicada em uma viga engastada-livre, excitada periodicamente por um shaker eletrodinâmico e posteriormente em um sistema rotativo montado em um bancada de testes. A viabilidade em se utilizar o método foi verificada comparando os resultados obtidos com as medições realizadas por um vibrômetro laser Doppler, no caso do sistema estrutural, e por sensores de proximidade indutivo nas vibrações do eixo rotativo. Com base nos comparativos, conclui-se que este método, mesmo apresentando limitações de resolução, pode ser perfeitamente empregado em medições de sistemas estruturais e rotativos assim como na análise modal operacional de estruturas. / The analysis of vibrations in structural and rotating systems allows the detection of undesirable problems, such as the structural fatigue and excessive wear, which contribute to the reduction of the useful life of the systems and their components. Traditionally, the measurement of vibrations is carried out by contacting sensors (accelerometers and strain gauges), which have the inconvenience of adding mass into the system. Alternativelly, there are the non-contacting sensors (LVD and ESPI), which are high cost equipments. This work aims at developing a low cost equipment that carry out multi-point non-contact measurements of the vibratory behavior of structures and rotating shafts. The proposed method uses as a basis the principles of photogrammetry together with sub-sampling techniques, which are used in structure or machines with known vibration frequencies (e.g rotating machines). The methodology was initially applied on a cantilever beam, periodically excited by an electrodynamic shaker and later in a rotating system mounted on a test bench. The feasibility of using the method was verified comparing the results obtained with measurements from a laser Doppler vibrometer, in the case of the structural system, and with inductive proximity sensors in the rotating shaft vibration. Based on the comparison analysis, one observes that this method can be perfectly used in vibration measurements in structural and rotating systems even with limitations in resolution as well as in operational modal analysis of structures.