Atualização do modelo numérico em elementos finitos de uma passarela de pedestres com base em dados experimentais

Abstract

Os modelos numéricos vêm sendo cada vez mais utilizados para representar o comportamento das estruturas. O método de elementos finitos pode ajudar no projeto de modificações da estrutura, na análise de carregamento externo, etc., no entanto o nível de exatidão dos modelos numéricos não é suficiente para garantir a precisão requerida na representação de estruturas complexas, como por exemplo, pontes e passarelas. As imprecisões dos modelos numéricos são geralmente devidas às modificações 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 passarela, este deve ser atualizado com o intuito de aproximar o comportamento do modelo aos dados modais experimentais, de modo a torná-lo mais preciso. O princípio deste processo é alterar as matrizes do sistema, que descrevem completamente o modelo em elementos finitos, com base nos parâmetros modais obtidos experimentalmente. Neste trabalho avalia-se numericamente uma passarela de pedestres existente na cidade de Brasília, por meio do software ANSYS, onde foi realizada uma análise de sensibilidade para selecionar os parâmetros a serem utilizados no processo de atualização. A atualização foi dividida em duas fases, inicialmente a manual, com o objetivo do refinamento do modelo numérico, e a segunda fase, a automática, onde foi implementado um algoritmo de otimização que utiliza dois métodos: o de Primeira Ordem e o de Aproximação por Subproblema. Os resultados encontrados mostram uma redução do índice FER (Porcentagem de variação da frequência) de 8,77% para 1,50% e um aumento no índice MAC (Modal Assurance Criterion) de 0,870345 para 0,9133. O trabalho conclui que o modelo atualizado pode ser utilizado como uma ferramenta importante para a avaliação da estrutura. Um monitoramento contínuo acompanhado de uma seqüência de atualizações do modelo numérico pode possibilitar a identificação de danos na estrutura. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The numerical models have been increasingly used to represent the behavior of structures. The finite element model can help in the design of structural modifications and analysis of external loading. However, the level of accuracy of numerical models is not sufficient to ensure the required precision in the representation of complex structures, such as bridges and footbridges. The lack of accuracy of numerical models is usually due to changes made in the modeling process, the uncertainties in the geometric and material properties, inaccuracies to represent the boundary conditions, etc. To improve the numerical modelling of a footbridge, the utilized model should be updated in order to approximate the numerical results to the observed experimental data, with the purpose of make it more precise. The principle of this methodology is to change the matrices, which describe completely the finite element model, based on modal parameters obtained experimentally. In this work, we evaluate numerically, using ANSYS software, a footbridge constructed in Brasilia, where sensitivity analysis were performed to select which parameters should be used in the update process. The update has been divided into two stages; the first one is a manual procedure of updating or tuning, with the goal of refinement the numerical model. The second stage, called automatic updating, was implemented with a optimization algorithm that uses two methods: the First Order and the Subproblem Approximation. The result shows a reduction of the index FER (Percent of frequency changes) of 8.77% to 1.50% and an increase in the index MAC (Modal Assurance Criterion) from 0.870345 to 0.9133. This work concludes that the updated model can be used as an important tool for structural evaluation. A continuous monitoring together with a sequence of updates of the numerical model can enable the damage identification of the structure.