[pt] Pontes com vãos superiores a 2.000 m tornam-se muito sensíveis à ação
do vento, particularmente ao drapejamento. Nesta tese é estudado um método
para a supressão do drapejamento em pontes de grandes vãos através de um
controle aerodinâmico ativo. Apresentam-se técnicas analíticas de projeto para
o controle ativo do sistema aero elástico constituído pelo tabuleiro e por duas
superfícies de controle. Estas técnicas são baseadas em aproximações
racionais das cargas aerodinâmicas não permanentes (ou auto-excitadas) no
domínio Laplaciano, no qual as equações de movimento são representadas
por equações matriciais de coeficientes constantes. A primeira parte da tese é
dedicada à formulação matricial das funções racionais conhecida como
Minimum State, assim como a aplicações a dados aerodinâmicos obtidos
experimentalmente para vários tipos de seções transversais de pontes. A
precisão das aproximações é calculada. Desenhos dos derivativos
aerodinâmicos, dados sob forma de tabelas, e das respectivas aproximações,
são elaborados para fins de comparação. Em seguida, são apresentadas as
equações em espaço de estado descrevendo o comportamento aeroelástico
de uma seção transversal de ponte. A partir dos dados geométricos e
características dinâmicas de uma determinada ponte, (massa, momento de
inertia polar, frequências naturais e fatores de amortecimento), e assumindo a
semelhança geométrica entre as seções transversais da ponte em verdadeira
grandeza e do modelo em escala do qual os derivativos aerodinâmicos foram
extraídos, é possível calcular a velocidade crítica desta ponte, utilizando os
programas em linguagem MATLAB apresentados no corpo deste trabalho.
Esta parte da tese mostra ser possível construir um catálogo com vários perfis
de pontes, caracterizados por derivativos aerodinâmicos variáveis em função
de frequências reduzidas adimensionais, e das funções racionais
correspondentes. A segunda parte é dedicada à fomulação das equações de
movimento em espaço de estado, descrevendo o comportamento aeroelástico
do sistema tabuleiro - superfícies de controle. As equações resultantes são
ampliadas com novos estados aerodinâmicos responsáveis pela modelagem
da influência do fluxo de ar sobre o tabuleiro e sobre as superfícies de controle
em movimento. As equações de movimento são função da velocidade média
do vento incidente. A dependência da equação de movimento à velocidade do
vento motivou a aplicação dos conceitos de realimentação de ganhos,
constante e variável, ao problema da supressão do drapejamento, os quais são
apresentados separadamente em dois capítulos.O enfoque de ganho variável
de saída é formulado em termos de minimização de um índice de desempenho
dimensionalmente proporcional à soma do trabalho realizado pelas superfícies
de controle e da energia cinética proporcional à velocidade vertical do
tabuleiro. Apresenta-se também em detalhe um método sistemático para
determinar a matriz de controle de ganhos variável, aplicada ao caso hipotético
da ponte de Gibraltar. Neste caso, o conceito de realimentação de ganhos
variável mostrou-se muito efetivo em suprimir o drapejamento do tabuleiro da
ponte. Diferentes características geométricas e dinâmicas de outras pontes
podem ser introduzidas nos programas MATLAB apresentados no Apêndice,
para obtenção da velocidade crítica nos casos de tabuleiros isolados,
tabuleiros com asas estacionárias e tabuleiros com asas giratórias ativamente
controladas, para supressão do drapejamento do tabuleiro. / [en] Long span bridges, with main spans beyond 2.000 m become highly
sensitive to wind action, particularly to flutter. An active aerodynamic control
method of suppressing flutter of very long span bridges is studied in this thesis.
Analytical design techniques for active control of the aeroelastic system
consisting of the bridge deck and two control surfaces are presented. These
techniques are based on a rational approximation of the unsteady aerodynamic
loads in the entire Laplace domain, which yieds matrix equations of motion with
constant coefficientes. The first part of this thesis is dedicated to the matrix
formulation of the rational functions known as Minimum State and to
applications to aerodynamic data obtained experimentally for various types of
bridge profiles. The precision of the approximations iscalculated, and plots of
the approximation functions compared to the available tabular data are drawn.
Next, the state-space equations of motion describing the aeroelastic behaviour
of a section of a bridge deck is presented. Given the dynamic data of a bridge
structure (mass, rotational mass moment of inertia, natural frequencies,
stiffness and damping ratios), and assuming that a geometric similitude exists
between the profiles of the full-scale bridge deck and the sectional model from
which the frequency dependent aerodynamic data was extracted, it is possible
to calculate the critical velocity of that particular bridge. This part of the thesis
shows that it is possible to build up a catalog of several profiles, characterized
by frequency dependent aerodynamic data and the corresponding rational
functions. The second part is dedicated to the formulation of the state-space
equations of motion describing the aeroelastic behaviour of the entire system
consisting of the bridge deck and control surfaces. The resulting equation
includes new aerodynamic states which model the air flow influence on the
moving deck. The equation of motion is a function of the mean velocity of the
incoming wind. The dependence of the equation of motion on the wind velocity
motivated the application of a constant and a variable-gain feedback concept to
the problem of flutter suppressing, which are presented separatelly. The output
variable-gain approach is formulated in terms of minimizing a performance
index dimensionally proportional to the sum of the work done by the rotating
control surfaces and the kinetic energy of the heaving velocity. A sistematic
method to determine the matrix of variable control gains is shown in detail, as
applied to the hypothethical case of Gibraltar bridge. Application of the variablegain
feedback concept was found to be very effective in suppressing flutter of
the bridge deck. Different geometric and dynamic characteristics can be
introduced in the MATLAB programs included in this work, in order to obtain the
critical velocities of a bridge deck alone, a bridge deck with stationary wings
and a bridge with moving wings activelly controled.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:38403 |
| Date | 27 May 2019 |
| Creators | GILBERTO DE BARROS RODRIGUES LOPES |
| Contributors | RAUL ROSAS E SILVA |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | TEXTO |
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