A graphical user interface for modal identification of civil engineering structures by means of stochastic state-space models: application to bridges and overhead transmission line towers

Interest on the dynamic behavior of latticed structures has been increased in the latest decades in Brazil since some accidents with total collapse of some structures, due to excessive vibration, have been occurred in its different regions. In the Amazon region, for instance, where these latticed structures overcome great obstacles such as the rainforest and large rives crossings, cases of collapse of latticed structures have been also reported. This master thesis focuses on the study of the modal behavior of latticed steel structures subjected to ambient vibrations caused by unknown excitation forces. Two study cases are presented: in the first, the modal behavior of a steel overhead transmission line tower is investigated; in the second case, the modal behavior and comfort level of a steel bridge is studied. The study of this last case aims at investigating the level of comfort of the bridge under ambient vibration, caused by wind gusts and vehicle traffic, according to the Brazilian standard NBR 8800 (1986). In both study cases, experimental and theoretical dynamic analyzes were performed to extract the modal parameters of theses structures. In the experimental stage, both structures were monitored using a set of low frequency accelerometers as well as a data acquisition system suitable for vibration tests of civil engineering structures. Since it is very difficult to measure the magnitude of ambient excitation forces, two stochastic subspace identification methods known as SSI-DATA and SSI-COV were employed to extract the modal parameters of the analyzed structures from response data collected in the vibration tests. Among all activities performed in this stage, a Graphical User Interface (GUI) toolbox in Matlab® platform was developed. In this toolbox, the above mentioned stochastic methods were implemented to extract modal parameters of civil engineering structures only from the response data collected in vibration tests. This toolbox consists of three modules: the first is used to process and treat the signals collected in the vibrations tests; the second is designed for allowing user to add the information related to the position and orientation of the accelerometers to the data files; the last module is used to extract the modal parameters from the response data files preprocessed in the first two modules. In the theoretical stage, numerical models were created to simulate de dynamical behavior of the structures under study. By comparing the results from both stages of analysis, it is observed that the experimental and theoretical results are in good agreement for the first modes of vibration. The experimental results showed that the approach developed for output-only modal analysis of civil engineering structures using stochastic state-space based methods was very efficient for identification of the modal parameters of the analyzed structures.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorEletronorte - Centrais Elétricas do Norte do Brasil S/AO interesse no comportamento dinâmico de estruturas metálicas vem crescendo nas últimas décadas no Brasil, em decorrência de acidentes com colapso total de algumas estruturas devido às vibrações ambientes em diversas regiões do país. Na região amazônica, por exemplo, onde esse tipo de estrutura deve vencer obstáculos como florestas e rios de grande largura, casos de colapso total de estruturas metálicas também são relatados. O foco principal dessa dissertação é o estudo do comportamento modal de estruturas metálicas submetidas às vibrações ambientes cuja magnitude das forças de excitação é desconhecida. Dois estudos de caso são apresentados: no primeiro deles, o comportamento modal de uma torre de linha de transmissão de energia elétrica é investigado; e no segundo caso, tanto o comportamento modal como os níveis de desconforto de uma ponte são estudados. Os estudos realizados neste último caso visam avaliar os níveis de desconforto da ponte quando submetida às excitações ambientes como rajadas de vento e o tráfego de veículo de acordo a norma brasileira NBR 8800 (1986). Em ambos os estudos de caso foram realizadas análises experimentais e computacionais. Na etapa experimental, ambas as estruturas foram monitoradas com emprego de um conjunto de acelerômetros de baixa freqüência e também de um sistema de aquisição apropriados para ensaios de vibração de estruturas civis. Como é muito difícil medir a magnitude das forças de excitação ambientes, foram utilizados os métodos de identificação estocásticos SSI-DATA e SSI-COV para extração de parâmetros modais de estruturas civis a partir somente dos dados de resposta coletados nos ensaios de vibração. Entre as atividades desenvolvidas nessa etapa, destaca-se a criação de um programa computacional com recursos do Graphical User Interface (GUI) da plataforma Matlab®, destinado à identificação modal de estruturas civis com o emprego dos referidos métodos estocásticos. Esse programa é constituído de três módulos: o primeiro é destinado ao processamento e tratamento dos sinais coletados nos ensaios de vibração; o segundo é utilizado para adicionar as informações do posicionamento dos acelerômetros utilizados nos arquivos dos sinais de resposta; e o terceiro e último módulo é destinado à identificação a partir dos arquivos de dados de resposta processados nos dois primeiros módulos. Na etapa das análises teóricas, foram criados modelos numéricos utilizando o método dos elementos finitos para simular o comportamento dinâmico das estruturas analisadas. Comparando os resultados obtidos em ambas as etapas de análise, verifica-se que resultados experimentais e teóricos apresentaram parâmetros bastante próximos entre si nos primeiros modos de vibração. Os resultados experimentais mostraram que ambos os métodos estocásticos foram muito eficientes na identificação das estruturas ensaiadas

The new Subspace-based poly-refence Complex Frequency (S-pCF) for robust frequency-domain modal parameter estimation

Subspace identification has been widely used in modal parameter estimation. The formulation of a parametric subspace-driven modal identification technique is achieved by using the Singular Value Decomposition (SVD) to remove most the uncertainties present in the null space of the system matrices used in the identification process, which leads to a more robust estimation of the modal properties. This idea has been used in the formulation of time domain modal identification techniques like the (time-domain) Eigensystem Realization Algorithm and the Stochastic Subspace identification techniques. In this paper, a subspace implementation of the new poly-reference Complex Frequency (pCF) formulated in Modal Model is proposed. The idea is to combine SVD with the new pCF to derive a new system identification technique the operates in the frequency domain by using either the Frequency Response Function or the Half Spectrum as primary data. Similarly to the ERA, the idea behind the subspace implementation of the pCF is to use different subspaces of the observability and frequency-domain controllability matrices, and carry out eigen-system realizations to estimate the modal properties corresponding to each chosen subspace. In order to illustrate its robustness, the subspace-driven pCF is applied to a simulated and two practical application examples

Static and dynamic analysis of a reinforced concrete rail bridge located in the Carajas Railroad

This work presents results of static and dynamic analysis carried out on 593 m length bridge along Carajás railroad in Maranhão state. The bridge's behavior became important due to some changes over the static and dynamic loads once the future train will be heavier. Thus, a mathematic model was developed using the finite element method basis to evaluate its behavior and "in loco" structural moni- toring to get data as strains and vibrations when the trains go through. Several high precision accelerometers and strains gauges were placed along the slab, beams and columns. Numerical and experimental results are shown and the main conclusions validating the applied methodology are presented as well.Neste trabalho são apresentados os resultados de análises estáticas e dinâmicas realizadas na Obra de Arte Especial número 40 (OAE 40), localizada na Estrada de Ferro Carajás. A obra consiste em uma ponte de concreto armado com 593 m de comprimento, no km 510 da ferrovia, estado do Maranhão. O estudo do comportamento da estrutura veio a assumir importância crescente frente às perspectivas de alterações das ações dinâmicas, que passarão a considerar trens-tipo operacionais com carregamento superior aos atuais. Assim, fez-se uso de um modelo matemático utilizando o método dos Elementos Finitos para avaliar seu desempenho e do monitoramento estrutural "in loco" das deformações e vibrações produzidas quando da passagem dos trens. Foram realizados diversos arranjos com acelerômetros piezoelétricos no tabuleiro, além de extensômetros elétricos de resistência no tabuleiro, longarinas e pilares. São apre- sentados os resultados numéricos e experimentais, bem como as conclusões relevantes que corroboram a metodologia empregada.TEIXEIRA, R. M.; OLIVEIRA, D. R. C. Universidade Federal do Par