Design and optimization of tuned mass dampers for civil engineering structures
Conception et optimisation d'amortisseurs à masse accordée pour les structures du génie civil
Résumé
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 adopted
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 adopté
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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