Conception et optimisation d'amortisseurs à masse accordée pour les structures du génie civil

The architectural demand and the desire to reduce costs permit the construction of light structures with innovating shapes. The great flexibility of these structures makes them increasingly sensitive to the external dynamic loads such as traffic, wind and earthquakes. Vibration control techniques allow to construct modern buildings increasingly slender, and, whether they are economic or architecturally audacious. Instead of modifying the geometrical and mechanical characteristics of a structure, vibration control consists in producing reaction forces which are opposed to the negative effects of the external excitations when they appear. This technological advance has the great advantage to not influencing planners and architects’ work and it provides them with additional creative options in both geometrical and mechanical characteristics of buildings. We restrict our focus to passive vibration control. Among available passive vibration absorber systems, Tuned Mass Dampers (TMDs) were selected for their simplicity and reliability. A TMD consists of a mass, a dashpot, and a spring, and is commonly attached to a vibrating primary system to suppress undesirable vibrations. The performance of TMDs is strongly affected by the adjustment of their parameters. The problem is the optimization of the mechanical parameters of TMD and their location in order to attenuate vibrations of the main structure. This thesis is based on understanding the dynamic characteristics of TMD. It aims to make an innovative and original contribution to classify, generalize and optimize some criteria in order to ensure an optimal design of TMDs, depending on their application. Our work consisted to treat these criteria in an original way. After solving the direct problem based on the modelling of systems with one or several TMD, we tackled the indirect problem by considering various optimization criteria. Thus, several optimization criteria of the mechanical parameters of TMDs applied to a main system (single (SDOF) or multiple degrees of freedom (MDOF)) are used. The excitation of the main system can be done in two different ways; either on the base (for seismic application) or on the structure (for wind effects).Numerical simulations based on a time and frequency approach are used to examine the performance of each optimized model. The robustness of each optimization criterion is assessed by taken into account the uncertainties related to the change of the physical parameters of the main structure. Such problems can be discussed by considering sensitivity analysis for criteria under uncertainty of the optimum TMD parameters. A new and original contribution of this thesis is the design and optimization of multiple TMDs in parallel with a MDOF main structure. In this context, during seismic loads, modes in the main structure with relatively high effective masses can be readily excited by base excitation. Afterwards, optimization criterion can be developed based on the most sensitive storeys to vibration modes which are a cumulative modal effective mass fraction exceeding 90%. To protect structures under earthquake loads, we seek to assess the effectiveness of TMDs in mitigating the response of structure under different real earthquakes. A comparative study is then achieved with four real earthquakes applied on systems with TMD optimized parameters. To illustrate the results obtained, characterization tests are conducted on a TMD with damping by eddy currents effect and adjustable stiffness. They allow the validation of the model and optimization criterion adoptedLe travail de thèse s’appuie sur un recueil exhaustif des travaux effectués dans le domaine du contrôle des vibrations auxquels sont soumis les ouvrages génie civil. Une contribution innovante et originale est apportée et permet de classifier, de généraliser et d’optimiser certains critères dans le but d’assurer une conception optimale de divers dispositifs d’atténuation des vibrations, et ce, selon leur application. L’un des objectifs de la thèse a donc consisté à traiter ces critères de manière originale. Après avoir résolu le problème dit « direct » s’appuyant sur la modélisation des systèmes dotés d’un ou de plusieurs AMAs, nous nous sommes intéressés au problème dit « indirect » en envisageant divers critères d’optimisation. Ainsi, plusieurs critères d’optimisation des paramètres mécaniques de plusieurs AMAs appliqués à un système principal comportant 1 ou plusieurs degrés de liberté peuvent être utilisés. L’excitation du système principal est envisagée de deux manières, soit à sa base (en vue d’une application à la sismique), soit au niveau de la structure (en vue d’une application aux effets du vent).Des simulations numériques sont réalisées dans le but d’étudier la performance de chaque modèle optimisé en se fondant sur des approches fréquentielles et temporelles. La robustesse de chaque critère d’optimisation face aux incertitudes liées au changement des paramètres physiques de la structure principale a été examinée. Nous avons également étudié la sensibilité des critères par rapport aux incertitudes des paramètres optimisés des AMAs. La conception et l’optimisation de p AMAs placés en parallèle pour un système principal à Nddl, a constitué une nouvelle contribution originale dans le cadre de cette thèse. Dans ce contexte, lors d’une sollicitation sismique, nous estimons la contribution de chaque mode dans la structure principale et nous conservons seulement les modes de vibrations qui ont un rapport de masses modales cumulées supérieur à 90%. Le choix du critère d’optimisation s’appuie seulement sur les étages les plus sensibles aux modes conservés et permet ainsi de tenir compte des modes élevés de la structure principale. Dans le but de limiter les dommages subis par les constructions du génie civil lors de sollicitations sismiques, nous cherchons à évaluer l’efficacité des AMAs afin d’atténuer les réponses temporelles sismiques. Ainsi une étude comparative est réalisée en appliquant quatre séismes réels sur les modèles optimisés. Afin d’illustrer les résultats obtenus, des tests de caractérisation d’un AMA utilisant un amortissement par courants de Foucault et un ajustement de la rigidité, ont été menés. Ils ont permis d’obtenir une validation expérimentale du modèle et du critère d’optimisation adopt

Optimisation des amortisseurs à masse accordée placés en parallèle

Les amortisseurs à masse accordée (AMA), (" Tuned Mass Dampers " en anglais) sont de nos jours très souvent utilisés pour le contrôle passif des vibrations de bâtiments et d'ouvrages d'art comme par exemple, le gratte-ciel du centre mondial des finances de Shanghai (492 m) ou la passerelle du Millenium à Londres. Un AMA consiste en une masse liée à un niveau de la structure par l'intermédiaire d'un ressort et d'un d'amortisseur linéaires

Experimental Tuned Mass Damper Based on Eddy Currents Damping Effect and Adjustable Stiffness

International audience— An experimental Tuned Mass Damper (TMD) is proposed in order to damp vibrations induced by external excitations. This TMD is based on the Eddy Currents damping effect and is designed in such a way as to allow a manually adjustment of its own stiffness and inherent damping. The TMD's modal parameters estimation is therefore carried out by applying the Continuous Wavelet Transform to the signals obtained experimentally. The influence of the manual adjustment of the TMD's components on its dynamical properties is then studied

Design and optimization of tuned mass dampers for civil engineering structures

Le travail de thèse s’appuie sur un recueil exhaustif des travaux effectués dans le domaine du contrôle des vibrations auxquels sont soumis les ouvrages génie civil. Une contribution innovante et originale est apportée et permet de classifier, de généraliser et d’optimiser certains critères dans le but d’assurer une conception optimale de divers dispositifs d’atténuation des vibrations, et ce, selon leur application. L’un des objectifs de la thèse a donc consisté à traiter ces critères de manière originale. Après avoir résolu le problème dit « direct » s’appuyant sur la modélisation des systèmes dotés d’un ou de plusieurs AMAs, nous nous sommes intéressés au problème dit « indirect » en envisageant divers critères d’optimisation. Ainsi, plusieurs critères d’optimisation des paramètres mécaniques de plusieurs AMAs appliqués à un système principal comportant 1 ou plusieurs degrés de liberté peuvent être utilisés. L’excitation du système principal est envisagée de deux manières, soit à sa base (en vue d’une application à la sismique), soit au niveau de la structure (en vue d’une application aux effets du vent).Des simulations numériques sont réalisées dans le but d’étudier la performance de chaque modèle optimisé en se fondant sur des approches fréquentielles et temporelles. La robustesse de chaque critère d’optimisation face aux incertitudes liées au changement des paramètres physiques de la structure principale a été examinée. Nous avons également étudié la sensibilité des critères par rapport aux incertitudes des paramètres optimisés des AMAs. La conception et l’optimisation de p AMAs placés en parallèle pour un système principal à Nddl, a constitué une nouvelle contribution originale dans le cadre de cette thèse. Dans ce contexte, lors d’une sollicitation sismique, nous estimons la contribution de chaque mode dans la structure principale et nous conservons seulement les modes de vibrations qui ont un rapport de masses modales cumulées supérieur à 90%. Le choix du critère d’optimisation s’appuie seulement sur les étages les plus sensibles aux modes conservés et permet ainsi de tenir compte des modes élevés de la structure principale. Dans le but de limiter les dommages subis par les constructions du génie civil lors de sollicitations sismiques, nous cherchons à évaluer l’efficacité des AMAs afin d’atténuer les réponses temporelles sismiques. Ainsi une étude comparative est réalisée en appliquant quatre séismes réels sur les modèles optimisés. Afin d’illustrer les résultats obtenus, des tests de caractérisation d’un AMA utilisant un amortissement par courants de Foucault et un ajustement de la rigidité, ont été menés. Ils ont permis d’obtenir une validation expérimentale du modèle et du critère d’optimisation adoptéThe architectural demand and the desire to reduce costs permit the construction of light structures with innovating shapes. The great flexibility of these structures makes them increasingly sensitive to the external dynamic loads such as traffic, wind and earthquakes. Vibration control techniques allow to construct modern buildings increasingly slender, and, whether they are economic or architecturally audacious. Instead of modifying the geometrical and mechanical characteristics of a structure, vibration control consists in producing reaction forces which are opposed to the negative effects of the external excitations when they appear. This technological advance has the great advantage to not influencing planners and architects’ work and it provides them with additional creative options in both geometrical and mechanical characteristics of buildings. We restrict our focus to passive vibration control. Among available passive vibration absorber systems, Tuned Mass Dampers (TMDs) were selected for their simplicity and reliability. A TMD consists of a mass, a dashpot, and a spring, and is commonly attached to a vibrating primary system to suppress undesirable vibrations. The performance of TMDs is strongly affected by the adjustment of their parameters. The problem is the optimization of the mechanical parameters of TMD and their location in order to attenuate vibrations of the main structure. This thesis is based on understanding the dynamic characteristics of TMD. It aims to make an innovative and original contribution to classify, generalize and optimize some criteria in order to ensure an optimal design of TMDs, depending on their application. Our work consisted to treat these criteria in an original way. After solving the direct problem based on the modelling of systems with one or several TMD, we tackled the indirect problem by considering various optimization criteria. Thus, several optimization criteria of the mechanical parameters of TMDs applied to a main system (single (SDOF) or multiple degrees of freedom (MDOF)) are used. The excitation of the main system can be done in two different ways; either on the base (for seismic application) or on the structure (for wind effects).Numerical simulations based on a time and frequency approach are used to examine the performance of each optimized model. The robustness of each optimization criterion is assessed by taken into account the uncertainties related to the change of the physical parameters of the main structure. Such problems can be discussed by considering sensitivity analysis for criteria under uncertainty of the optimum TMD parameters. A new and original contribution of this thesis is the design and optimization of multiple TMDs in parallel with a MDOF main structure. In this context, during seismic loads, modes in the main structure with relatively high effective masses can be readily excited by base excitation. Afterwards, optimization criterion can be developed based on the most sensitive storeys to vibration modes which are a cumulative modal effective mass fraction exceeding 90%. To protect structures under earthquake loads, we seek to assess the effectiveness of TMDs in mitigating the response of structure under different real earthquakes. A comparative study is then achieved with four real earthquakes applied on systems with TMD optimized parameters. To illustrate the results obtained, characterization tests are conducted on a TMD with damping by eddy currents effect and adjustable stiffness. They allow the validation of the model and optimization criterion adopte

Etude expérimentale d’un amortisseur à masse accordée avec une raideur et un amortissement par courants de Foucault variables

National audienceThe Tuned Mass Damper (TMD) is a structural passive control device attached on a structure and made by a linear oscillator which natural frequency is tuned to that of the structure, or to the dominant eigenfrequency. In this study, an experimental TMD with adjustable stiffness and damping is proposed. In particular, the TMD damping arises from the eddy current damping effect due to the presence of a permanent magnet placed on the top side of the TMD mass, which is made of conductive material. The first step is to check if the dynamical properties of the proposed TMD are constant during the dynamic test and for different values of stiffness and damping. Therefore, the instantaneous modal parameters are evaluated by applying the continuous wavelet transform on the experimental data. Then, the TMD is set with optimal parameters and used to control vibrations of a frame scale model. The structure response with and without the TMD is evaluated from the experimental measurements in case of shock at the top floor, and a numerical analysis is conducted in case of seismic ground acceleration. MOTS-CLÉS : AMA, courants de Foucault, transformée en ondelettes continue, control passif.Un Amortisseur à Masse Accordée (AMA) est un système de contrôle passif, consistant à attacher à une structure, un oscillateur linéaire dont la fréquence naturelle est synchronisée avec celle du mode à amortir. Cet article s'intéresse à la conception et à l'étude d'un AMA expérimental avec des coefficients d'amortissement et de raideur facilement réglables. Ainsi, l'amortissement de l'AMA est dû à un aimant placé au-dessus d'une masse en matériau conducteur, générant des courants de Foucault. La première étape de cette recherche est de vérifier si les paramètres modaux de l'AMA ainsi réalisé restent constants durant l'essai. Ainsi, pour différents réglages de l'AMA, ses paramètres modaux instantanés sont évalués à l'aide d'une procédure d'identification modale fondée sur la transformée en ondelettes continue des signaux mesurés. L'AMA est ensuite placé sur une maquette d'un bâtiment de trois étages et ses paramètres sont réglés sur ceux obtenus par optimisation d'un critère fondé sur le coefficient d'amplification dynamique. La réponse du portique avec et sans AMA, suite à un choc appliqué au dernier étage, est alors évaluée expérimentalement. Enfin le cas du portique avec ou sans AMA, soumis à une excitation sismique à sa base est modélisé et analysé numériquement

Experimental Analysis of a Tuned Mass Damper with Eddy Currents Damping Effect

International audienc