Análise experimental da aproximação do amortecimento viscoso de Rayleigh em uma estrutura tubular em catenária submetida a vibração

Abstract

O seguinte trabalho tem o intuito de verificar experimentalmente o Método de Amortecimento Viscoso de Rayleigh, fundamentado a partir da combinação linear de inércia e rigidez como parâmetro para definir o amortecimento de estruturas. Esse método é presente também em aplicativos de análise de elementos finitos como os que simulam o comportamento dinâmico de risers. Sabe-se ainda, que, estruturas como esta, normalmente instaladas em configuração de catenária livre, são submetidas à vibrações que induzem modos de vibrar com frequências que tendem facilmente a se aproximar das frequências naturais que caracterizam o sistema e portanto, facilitam a ocorrência de grandes amplitudes de movimento geradas pela presença de fenômenos como as Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV). Nesse cenário, foi construído um modelo tubular composto de policloreto de vinila (PVC), em configuração semelhante à de uma catenária, com 9,5 metros de comprimento suspenso no ar à 6,5 metros de altura, com um ângulo de saída de topo de aproximadamente 7 graus, cujos parâmetros foram calculados analiticamente por meio de equações particulares a esse tipo de geometria. Como forma de análise, optou-se por utilizar como técnica principal um teste vibratório com um equipamento de excitação de frequências, auxiliado por um acelerômetro uniaxial e um aplicativo de aquisição de dados denominado LMS Pimento para tratar as informações obtidas, e filtrá-las através da Tranformada de Fourier (FFT), com o objetivo de facilitar a compreensão dos dados. Além disso, foi desenvolvida uma verificação analítica para confrontar com os dados experimentais a posteriori. Por fim, cotejou-se as diferentes abordagens para caracterizar o amortecimento da estrutura e constatou-se que o método apresenta, curiosamente, uma aproximação razoável do amortecimento mediante algumas limitações e ressalvas.

The purpose of the following project is to experimentally verify the Viscous Damping Rayleigh Method which is based on the linear combination of stiffness and mass as a parameter to define the structures damping. Also, this method is used to simulate the dynamic behavior of risers in finite element analysis programs. It is still known that this kinds of structures, usually installed as a free-hanging catenary configuration, are submitted to disturbances that induces the vibration modes with frequencies that tend to easily approach the natural frequencies that characterizes the system and so, facilitates the occurrence of large amplitudes of movement generated by the presence of phenomena such as Vortex Induced Vibrations (VIV). In this scenery, it was made a tubular model composed by polyvinyl chloride (PVC), in a similar catenary configuration, with 9.5 meter-long launched at a height of 6.5 meters in the air and with an angle at the top end of approximately 7 degrees, these parameters were analytically calculated by some particulars equations to this type of geometry. As a form of analysis, it was decided to use as the main technique a vibration test with a frequency excitation equipment, aided by a uni axial accelerometer and a data acquisition application named as LMS Pimento to treat the information obtained, and filter them through the Fast Fourier Transform (FFT), in order to facilitate the understanding of the data. Furthermore, it was developed an analytical verification to compare with the experimental data. Finally, different approaches were compared to characterize the damping of the structure and it was found that the method curiously presents a reasonable approximation of damping despite some limitations and caveats.