Metodologia para atualização de modelos numéricos de pontes com base em dados experimentais

Abstract

As pontes são estruturas que devido a suas grandes dimensões, longa vida útil e complexidade estrutural, necessitam de uma avaliação regular para garantir o seu uso, segurança e confiabilidade. O modelo modal da ponte baseado em dados experimentais é uma ferramenta utilizada para avaliar estas estruturas, na qual um procedimento de identificação de sistemas é aplicado para identificar os modos de vibração e as freqüências naturais. Estes modelos identificados apresentam uma boa precisão na representação do comportamento real da ponte. O modelo numérico é outra ferramenta útil para representar o comportamento das pontes. O modelo de elementos finitos pode ajudar no projeto de modificação da estrutura, na análise de carregamentos extremos, etc. Entretanto, o nível de exatidão dos modelos numéricos não é suficiente para garantir a precisão requerida na representação das pontes. As imprecisões dos modelos numéricos são geralmente devidas às simplificações realizadas no processo de modelagem, às incertezas nas propriedades geométricas e dos materiais, imprecisões nas condições de contorno, etc. Para melhorar o modelo numérico de uma ponte, este deve ser atualizado com o intuito de aproximar o comportamento do modelo aos dados modais experimentais, estabelecendo um modelo mais preciso. O princípio deste processo é, baseado nos parâmetros modais obtidos experimentalmente, alterar as matrizes do sistema (matrizes de massa, rigidez e amortecimento) que descrevem completamente o modelo em elementos finitos. Esta tese tem como objetivo desenvolver uma metodologia capaz de identificar por intermédio de modelos numéricos o comportamento real das pontes. Nesta metodologia, o modelo numérico da ponte em análise é criado e os parâmetros modais experimentais são identificados a partir de dados obtidos de um ensaio dinâmico. Com base nesses parâmetros, o modelo inicial de EF passa por um processo de atualização composto por uma etapa manual e uma automática. Na etapa manual o modelo inicial de EF é revisado e ajustado manualmente para proporcionar uma melhor relação entre as freqüências naturais experimentais e numéricas da ponte. Na etapa automática, o modelo de EF manualmente atualizado é novamente alterado por meio de um processo de otimização. A metodologia proposta é então aplicada na ponte de Clifton, uma ponte pênsil de cabos de ferro projetada por Brunel, que liga Clifton em Bristol a Leigh Woods, em Somerset Norte, Reino Unido. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Bridges are structures that due their immense dimension, long spans, long service life and structural complexity, need a regular inspection and condition assessment to guarantee their serviceability, safety and reliability. The modal model of the bridge based on dynamic measurement has been a tool to evaluate these structures. A system identification procedure is applied to identify the mode shape and natural frequencies. The accuracy of these identified models is very good, and they are able to represent the actual behavior of the bridge. Numerical model to simulate the physical system of the bridges has been other useful and important tool used to determine the behavior of these structures. The finite element model performs the static and dynamic analysis, help in the design of modification in structures, carry on extreme load analysis, etc. However, the level of accuracy of the numerical model of the bridge, due to simplifications made in modeling, uncertainties in material and geometry proprieties, inaccurate boundary condition, is not enough for the required necessity. To improve the FE predictions, the model must be realistically updated to produce the experimental observed dynamic measurements and, in this way, establish an accurate finite element model for the bridge. This process can be called model update. In term of principle of FE model updating, the system of matrices (mass, stiffness, damping matrices) that completely describe the FE analysis are modified or updated with respect to the reference data which are generally the experimental modal parameters. This thesis focuses on the development of a methodology to the dynamic behavior of bridges. Initially, the structural modal parameters are identified from dynamic measurement. Based on these identified parameters, the initial FE model is updated. The update is compost for a manual and automatic phase. In the manual phase the initial model is revised and manually tuned to match the actual natural frequencies of the bridge more closely. In the automatic phase, the manual tuned FE model is changed again by a optimization method. The proposed methodology was tested on the Clifton suspension bridge, an iron chain suspension bridge designed by Brunel, spanning the Avon Gorge and linking Clifton in Bristol to Leigh Woods in North Somerset, UK.