Ensaios híbridos em tempo real com mesa sísmica: desenvolvimento e aplicação à interação solo-estrutura

Humankind has witnessed numerous catastrophic events due to earthquakes, which destroyed cities and important infrastructures. Thus, a better understanding of the dynamic behavior of structures is crucial for mitigating this problem. Shaking table tests are an excellent and reliable tool for experimentally simulating the dynamic response of structures. Nevertheless, full-scale tests of large structures are impractical, if not impossible, in shaking tables due to limitations in size, actuator capacity, cost of a test specimen, and other laboratory equipment. At present, the use of very sophisticated programs and algorithms has increased in the civil engineering field. Consequently, the use of numerical methods for analyzing structures subjected to seismic actions is the most cost-effective technique despite its shortcomings. However, numerical approaches, including finite element methods, may fail to capture complex modes of failure in structures, which can be local or global. On the other hand, hybrid simulation (substructuring test) blends the two approaches by analyzing the more complex part of a structure physically while the remaining part is represented in a numerical model. In the last two decades, a substantial amount of research was conducted on hybrid simulations and the technique was used for several applications such as seismic performance of structural systems, energy dissipation devices, seismic isolation, and thermo-mechanical characteristics of structural systems. Nevertheless, the potential of this technique has not been exhausted. For example, conducting soil-structure interaction (SSI) tests in hybrid simulation is not fully exploited up to date. Currently, the main challenge of conducting SSI tests using hybrid simulations is the lack of robust control algorithms that are necessary to satisfy boundary conditions. The objective of this thesis is twofold. First, to build a software framework for hybrid simulations at LNEC, the first of its kind in Portugal. Second, to use shaking table test results for updating fragility curves of RC structures. The first objective encompasses the development of the software framework towards conducting SSI hybrid tests in shaking tables as well as performing global sensitivity and reliability studies. Thus, a flexible and modular software framework for hybrid simulation, termed “LNEC-HS”, was developed in LabVIEW that adopts a three-loop architecture. The state-machine design of this software makes the initialization, preparation, simulation-coordination, and control tasks easy and manageable. This software was validated by performing hybrid tests of moment-resisting steel frames. The software can also perform SSI hybrid tests whereby a shaking table and an additional actuator apply the boundary conditions of a physical substructure. Thus, advanced control strategies for acceleration tracking of shaking tables and equivalent force control of actuators were implemented. Simulated hybrid tests that account for SSI effects were conducted in this work to assist in designing experiments and to obtain the sensitivity of test results beforehand. In another development, the simulated hybrid test approach was adopted to make hybrid simulation tests viable for reliability and global sensitivity studies through a Multiplicative Dimensional Reduction Method (M-DRM). The proposed method was studied numerically and validated using hybrid tests conducted on a simply supported beam. The effects of instability in hybrid simulations were also carefully assessed and explored in a simulated environment. Consistently with one of the above objectives, this work also shed light on the Bayesian updating of RC frames' fragility curves through shaking table tests. The ATC-58 and Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methods for Bayesian updating were examined using a shaking table test conducted on a RC structure.A humanidade testemunhou inúmeros eventos catastróficos devido a sismos, que destruíram cidades e importantes infraestruturas. Assim, um melhor entendimento do comportamento dinâmico das estruturas é muito importante para mitigar este problema. Ensaios em mesa sísmica são uma ferramenta excelente e fiável para simular experimentalmente a resposta dinâmica de estruturas. No entanto, ensaios à escala real de grandes estruturas são impraticáveis, senão impossíveis, em mesas sísmicas devido às limitações de tamanho, capacidade do atuador, custo do espécime a ensaiar e limitações e custos de outros equipamentos de laboratório. Atualmente, a utilização de programas e algoritmos muito sofisticados tem aumentado no campo da engenharia civil. Consequentemente, o uso de métodos numéricos para análise de estruturas submetidas a ações sísmicas, é a técnica com melhor custo-benefício, apesar das suas deficiências. No entanto, as abordagens numéricas, incluindo o método dos elementos finitos, podem falhar na simulação de modos complexos de rotura de estruturas, que podem ser locais ou globais. Por outro lado, os ensaios híbridos (ensaios de subestruturação) combinam as duas abordagens modelando fisicamente a parte mais complexa de uma estrutura, enquanto a parte restante é representada numericamente. Nas últimas duas décadas, foi realizada uma quantidade substancial de investigação em ensaios híbridos e a técnica foi utilizada em diversas aplicações, tais como no desempenho sísmico de sistemas estruturais, dispositivos de dissipação de energia, isolamento sísmico e características termomecânicas de sistemas estruturais. No entanto, o potencial desta técnica de ensaios não foi esgotado. Por exemplo, a realização de ensaios com interação soloestrutura (SSI) em ensaios híbridos não se encontra bem estudada até à data. Atualmente, o principal desafio na condução de ensaios SSI através de ensaios híbridos é a falta de algoritmos de controle robustos, necessários para satisfazer as condições de fronteira. O objetivo desta tese é duplo. Primeiro, construir um enquadramento de software para ensaios híbridos no LNEC, o primeiro do seu género em Portugal. Em segundo lugar, utilizar resultados de ensaios em mesa sísmica na atualização de curvas de fragilidade de estruturas de betão armado. O primeiro objetivo engloba o desenvolvimento do enquadramento de software para a realização de ensaios híbridos com SSI em mesas sísmicas, bem como a realização de estudos globais de sensibilidade e fiabilidade. Um software flexível e modular para ensaios híbridos, denominado "LNEC-HS", que utiliza uma arquitetura de três ciclos, foi desenvolvido em LabVIEW. A concepção da máquina de estado deste software permite a inicialização, preparação, coordenação da simulação e tarefas de controlo de forma fácil e prática. Este software foi validado através da realização de ensaios híbridos de estruturas porticadas em aço. O software também permite a realização de ensaios híbridos com SSI em que uma mesa sísmica e um atuador adicional aplicam as condições de fronteira de uma subestrutura física. Assim, foram implementadas estratégias de controlo avançadas para o rastreio da aceleração em mesa sísmica e de controlo em força equivalente dos atuadores. Neste trabalho, foi realizado testes para ensaios híbridos que inclui os efeitos de SSI para apoiar a concepção de ensaios e para obter previamente a sensibilidade dos resultados a atingir. Num outro desenvolvimento, foi adoptada a abordagem de ensaios híbridos simulados para testar a viabilidade dos ensaios híbridos para estudos de fiabilidade e sensibilidade global através do Multiplicative Dimensional Reduction Method (M-DRM). O método proposto foi estudado numericamente e validado utilizando ensaios híbridos realizados numa viga simplesmente apoiada. Os efeitos da instabilidade em ensaios híbridos foram também cuidadosamente avaliados e explorados num ambiente simulado. Consistentemente com um dos objectivos acima referidos, este trabalho também contribui para o desenvolvimento da atualização Bayesiana das curvas de fragilidade de pórticos em betão armado através de ensaios em mesa sísmica. Os métodos ATC-58 e Markov Chain Monte Carlo (MCMC) para a atualização Bayesiana foram examinados utilizando um ensaio em mesa sísmica realizado numa estrutura em betão armado.Programa Doutoral em Engenharia Civi