Atualização de modelos numéricos em elementos finitos para a análise de arquibancadas temporárias

Abstract

As arquibancadas temporárias são estruturas amplamente usadas em eventos esportivos, espetáculos culturais, etc., devido à possibilidade de reutilizá-las. Essas estruturas estão sujeitas a excitações dinâmicas em virtude, principalmente, da movimentação de espectadores. Além disso, apresentam uma grande quantidade tanto de apoios como de componentes ligados por conexões ou simplesmente encaixados, os quais afetam potencialmente o seu comportamento dinâmico. Neste trabalho foi aplicada uma metodologia para a atualização de modelos numéricos em elementos finitos de uma arquibancada usando resultados de testes modais, a fim de obter um modelo numérico que represente com maior nível de detalhes a estrutura e, por conseguinte, seu comportamento dinâmico de forma confiável. Essa metodologia é formulada usando as ferramentas disponíveis no software de elementos finitos ANSYS e o método de otimização de Enxame de Partículas (Particle Swarm optimization, PSO) programado em MATLAB. Uma vez construído o modelo numérico paramétrico, é feita a identificação dos parâmetros candidatos à atualização por meio de uma análise de sensibilidade. Nesta pesquisa foi encontrado que essas variáveis são as propriedades mecânicas dos tubos e das conexões, e as constantes de rigidez das conexões. A atualização automática é aplicada refinando estes parâmetros iterativamente à procura da minimização de uma função objetivo, a qual envolve frequências e modos de vibração. Para cada alteração do modelo, a análise modal é realizada e os resultados são comparados aos do modelo modal experimental. A decisão do modelo com melhor correlação depende da tolerância de convergência da função objetivo. Após a atualização, o modelo da arquibancada ofereceu parâmetros modais em estreita concordância com os resultados experimentais, conservando seu significado físico. __________________________________________________________________________________ ABSTRACT

Temporary grandstands are structures extensively used for sporting events and cultural shows since that can be demounted and reconstructed for re-use elsewhere. These structures are subject to dynamic loads due to movements of spectators. Moreover, temporary grandstands have a large amount of supports and components such as tubes, couplers and boards which affect their dynamic behavior. This paper is concerned with application of a methodology for updating the finite element model of temporary grandstands using modal test results to obtain a numerical model that represents the structure with high level of detail and therefore the dynamic behavior reliably. This methodology is formulated using the tools available in ANSYS finite element software and optimization technique particle swarm optimization (PSO) programmed in MATLAB. Once constructed the parametric numerical model, the selection of updating parameters is made through a sensitivity analysis. The selected parameters are the mechanical properties of the tubes and connections, and the constant stiffness of the connections. The automatic update is applied iteratively to refine these parameters and minimize an objective function, which involves natural frequencies and mode shapes. A case study of a temporary grandstand was employed for this task and modal test were carried out to obtain the experimental natural frequencies and mode shapes. For each change of the numerical model, modal analysis is performed and the results are compared to experimental modal model. The numerical modal model closer to the experimental modal model depends on the tolerance of convergence of the objective function. After the update, the model provided modal parameters in close agreement with the experimental results, retaining their physical meaning.