Vibration control strategies for cancelling floor vibrations via inertial mass dampers

Resumen

Hoy en día es bastante habitual encontrar estructuras ligeras y esbeltas que presentan problemas relacionales con el estado límite de servicio de vibraciones. Esto es debido fundamentalmente al uso de nuevos materiales de construcción y al empleo de nuevas técnicas constructivas. Estas estructuras cumplen los estados límites últimos pero no es raro que los usuarios se quejen debido al elevado índice de vibración que suelen presentar. Estos problemas suelen aparecer en pasarelas peatonales, forjados de grandes luces, gradas en voladizo, etc. Entre las estrategias de cancelación más habituales se encuentran el uso de amortiguadores de masa inercial activos (conocidos como AMD por sus siglas en inglés) y amortiguadores de masa inercial pasivos, habitualmente conocidos como TMDs (tuned mass dampers). Las principales contribuciones de esta tesis son las que se mencionan a continuación. La primera es proponer una guía de diseño para sistemas de control activo basado en estrategias SISO (single-input single-output), una entrada y una salida. En esta guía se contemplan aspectos prácticos que son fundamentales, tales como la dinámica de los actuadores, saturaciones y los típicos problemas de inestabilidad debidos a las altas frecuencias. Se ha realizado un estudio adimensional a partir del cual se han obtenido reglas de diseño sencillas que aseguran la implementabilidad del control. Además, se han obtenido resultados experimentales que validan dichas reglas. El segundo objetivo es proponer una metodología común/general de diseño tanto de estrategias de control activo como pasivo, basadas ambas en amortiguadores inerciales. Se emplea una realimentación en lazo cerrado para diseñar los parámetros de control teniendo en cuenta tanto la naturaleza de la excitación como la percepción de la vibración por los humanos. Para la estrategia de control activo se emplea una realimentación directa de la velocidad, en este caso tanto para el diseño como para la aplicación, sin embargo, en el caso del sistema pasivo la realimentación es sólo para el diseño. La metodología desarrollada considera sistemas de control SISO y MIMO (multi-input multi-output), siendo estos últimos, especialmente útiles para cancelar vibraciones debidas a varios modos de vibración con frecuencias similares. Con la metodología propuesta se puede diseñar simultáneamente tanto la localización óptima de los TMDs/AMDs como los parámetros de control (matriz de ganancias para el sistema activo; y amortiguamientos y frecuencias de sintonizado para los pasivos). Esta metodología se ha particularizado en la cancelación de vibraciones inducidas por humanos. Así, ciertos factores se han considerado: la ponderación en frecuencias tanto de la excitación como de la respuesta considerando la naturaleza de las vibraciones inducidas por humanos, ventanas temporales de salida que aseguran la estabilidad de la solución adoptada, filtros paso-bajo y dinámicas y no linealidades del actuador. Las simulaciones que involucran todos estos elementos sin duda son fiables y llevan a diseños que funcionan en la practica. En este trabajo también se presenta una solución al problema de la carga computacional involucrada en el proceso de optimización, fundamentalmente cuando se trata de sistemas MIMO aplicados a forjados complejos. Para abordar este problema, se ha utilizado un algoritmo meta-heurístico, llamado ``Coral Reefs Optimization with Substrate Layer'', definido como un algoritmo competitivo de co-evolución con diferentes procedimientos de exploración dentro de una única población de soluciones. De esta forma, se emplea un potente algoritmo evolutivo para el problema de optimización, que ha resultado ser muy eficaz. Finalmente, en el trabajo se incluyen modelos de estructuras con el fin de implementar las contribuciones anteriormente mencionadas. Se han realizado modelos de elementos finitos de forjados que han sido calibrados mediante varios ensayos experimentales, análisis modales operacionales y análisis modales experimentales. Todo ello ha sido demostrado mediante ejemplos de aplicación en un forjado de un comedor y en un forjado de laboratorio a escala real construido durante esta tesis.