Otimização de amortecedores de massa sintonizados em estruturas submetidas a um processo estacionário

Abstract

Atualmente as estruturas estão sendo avaliadas para um maior número de ações em relação há algumas décadas. Esta melhoria ao longo da fase de concepção é dada devido ao fato de que está se tornando mais competitivo o fornecimento de estruturas leves e esbeltas, sendo solicitados, cada vez mais, projetos com menor custo de implantação. Devido a isto, é necessário avaliar as estruturas não apenas sujeitas a cargas estáticas, mas também a carregamentos dinâmicos. As ações dinâmicas que atuam sobre uma estrutura podem ser muito mais prejudiciais do que as estáticas quando não são bem consideradas e dimensionadas. Ações dinâmicas podem ser provenientes de tremores de terra, vento, equipamentos em funcionamento, deslocamento de pessoas, veículos em movimento, motores desbalanceados, entre outras fontes, o que pode causar vibrações na estrutura, podendo levar a mesma ao colapso. A fim de controlar e reduzir as amplitudes de vibração, entre outras alternativas é possível a instalação de amortecedores de massa sintonizado (AMS), que é um dispositivo de controle passivo. O AMS tem várias vantagens, tais como a grande capacidade de reduzir a amplitude de vibração, fácil instalação, baixa manutenção, baixo custo, entre outras. Para se obter a melhor relação custo-benefício, ou seja, a maior redução de amplitude aliada a um menor número de amortecedores ou a uma menor massa, a otimização dos parâmetros do AMS tornase fundamental. Neste contexto, este trabalho visa, através de simulação numérica, propor um método para otimizar parâmetros de AMSs quando estes devem ser instalados em edifícios submetidos à excitação sísmica. Inicialmente é considerado apenas um único AMS instalado no topo do edifício e em seguida também são feitas simulações com múltiplos AMSs (MAMS), e por fim são descartados os AMSs desnecessários, obtendo assim a melhor resposta da estrutura. Para tanto, uma rotina computacional é desenvolvida em MatLab usando o método de integração direta das equações de movimento de Newmark para determinar a resposta dinâmica da estrutura. Para fins de análise podem ser considerados tanto sismos reais quanto artificiais. Os acelerogramas artificias são gerados a partir do espectro proposto por Kanai e Tajimi. Primeiramente, a estrutura é analisada somente com o seu amortecimento próprio para fins comparativos e de referência. Em seguida, a otimização do ou dos AMSs é feita, na qual a função objetivo é minimizar o deslocamento máximo no topo do edifício, e as variáveis de projeto, são a relação de massas (AMS - Estrutura), rigidez e amortecimento do ou dos AMSs. Para a otimização são utilizados os algoritmos Firefly Algotithm e Backtracking Search Optimization Algorithm. De acordo com as configurações do AMS, após a otimização dos seus parâmetros são determinadas as novas respostas dinâmicas da estrutura. Finalmente, pode-se observar que o método proposto foi capaz de otimizar os parâmetros do ou dos AMSs, reduzindo consideravelmente as respostas da estrutura após a instalação do mesmo, minimizando o risco de dano e colapso do edifício. Desta forma, este trabalho mostra que é possível projetar AMS e MAMS de forma econômica e eficaz.

Currently, structures are being evaluated for a greater number of actions when compared to a few decades ago. This improvement in designing stage is happening because projects providing lightweight and slender structures, with lower implantation costs, are being more requested. Thus, evaluating structures not only subjected to static loads, but also to dynamic loads has become necessary. Dynamic loads acting on a structure are more damaging than static loads, if they are not well considered and dimensioned. Dynamic loads could occur from earthquakes, wind, equipment, movement of people or vehicles, among other sources, which cause vibrations in structures and may lead to a collapse. Tuned mass damper (TMD), a passive control device, can be installed as an alternative to reduce vibration amplitudes. TMD has several advantages, such as large capacity to reduce amplitude of vibration, easy installation, low maintenance, low cost, among others. Optimizing TMD parameters is fundamental for obtaining best cost-benefit relation, i.e., greater amplitude reduction along with lower number of dampers or lower mass. In this context, this study aims at proposing, through numerical simulation, a method for optimizing TMD parameters when installing them on buildings under seismic excitation. Initially, a single-TMD case is considered, then simulations with multiple-TMDs (MTMDs) are run; lastly, unnecessary TMDs are discarded, obtaining the best structural response. For this purpose, a computational routine is developed on MatLab using Newmark direct integration method for equations of motion to determine the dynamic structural response. Both real and artificial earthquakes are considered for purposes of analysis. Artificial accelerograms are generated from proposed Kanai-Tajimi spectrum. First, structure is analyzed only with its own damping for comparison and reference. Second, a single or multiple-TMD optimization is carried out, in which the objective function is to minimize the maximum displacement at the top of the building, and the design variables are modal mass ratio (Structure-TMD), stiffness and damping of a single or multiple-TMD. Firefly and Backtracking Optimization algorithms are used for optimization. According to TMD settings, new dynamic structural responses are determined after optimizing parameters. Finally, the proposed method could optimize parameters of single or multiple-TMDs, considerably reducing structural responses after their installation, minimizing the risk of damage and building collapse. Thus, this study shows the possibility of designing TMDs or MTMDs both economically and effectively.