Otimização de atenuadores dinâmicos sincronizados para o controle de vibrações em edifícios submetidos à excitação sísmica

Abstract

A ação dos sismos sobre edifícios pode provocar vibrações de altas amplitudes e gerar muitos danos, que em alguns casos, levam ao colapso da estrutura. Neste cenário, o controle estrutural mostra-se como uma ferramenta capaz de reduzir as vibrações excessivas e melhorar o desempenho da edificação. O sistema de controle passivo por meio de Atenuador Dinâmico Sincronizado (ADS) é uma técnica bastante utilizada, entretanto, projetar estes dispositivos e posicioná-los na estrutura a ser controlada, de modo que se tenha a melhor redução da resposta dinâmica, não é tarefa fácil. Neste contexto, a presente dissertação apresenta um estudo sobre a otimização de parâmetros de projeto e posições de ADS simples e Múltiplos Atenuadores Dinâmicos Sincronizados (MADS), destinados ao controle de vibrações em edifícios submetidos à excitações sísmicas, objetivando a redução do deslocamento relativo entre pavimentos (story drift), cujo critério limite foi obtido na norma ANSI/AISC 360-16. Para isto, são estudados três edifícios de diferentes alturas, os quais foram submetidos a um conjunto de três sismos reais e a um artificial não-estacionário com frequência de excitação coincidente com a frequência do modo fundamental de cada edifício. Para cada edificação foram propostos diferentes cenários de controle e para realizar as otimizações utilizou-se o algoritmo meta-heurístico Whale Optimization Algorithm (WOA). Os resultados obtidos mostraram que para o Edifício 1, todos os cenários foram eficientes em reduzir o story drift de modo a adequá-lo ao critério adotado e o Cenário 1-Otimizado, que foi equivalente ao Cenário 3 com apenas um único ADS no topo, foi considerado a alternativa mais viável. No Edifício 2, verificou-se novamente que todos os cenários conseguiram controlar a estrutura, garantindo que o story drift não ultrapassasse os valores limites, e o Cenário 1-Otimizado com um único ADS instalado no topo mostrou-se como a melhor solução. Por fim, para o Edifício 3, o Cenário 4-Modificado com massa dos MADS igual a 6% da massa da estrutura, onde os 3 ADS resultantes foram dispostos no plano do edifício, foi o único que teve controle efetivo sobre a resposta do edifício e conseguiu adequá-lo ao critério adotado, sendo portanto seu melhor cenário de controle.

The seismic excitation on buildings can cause high amplitude of vibrations and generate many damages that, in some cases, lead to the collapse of the structure. In this scenario, the structural control is a tool that can reduce excessive vibrations and improve the performance of the building. The passive control system with Tuned Mass Damper (TMD) is a widely used technique, however, design their parameters and positions on the structure to be controlled, in order to obtain the best reduction in the dynamic response, is quite complicated. In this context, the present dissertation presents a study on the optimization of design parameters and positions of single TMD and Multiple Tuned Mass Dampers (MTMDs), utilized to the vibrations control in buildings subjected to seismic excitations, aiming to reduce the relative displacement between floors (story drift), in order to limit it to the criterion obtained in the ANSI/AISC 360-16 standard. For this, three buildings of different heights are studied and were submitted to a set of three real earthquakes and a non-stationary artificial earthquake with frequency of excitation equal to the frequency of the fundamental mode of each building. For each building, different control scenarios were proposed and to perform the optimizations, the meta-heuristic algorithm Whale Optimization Algorithm (WOA) was used. The results obtained showed that, for Building 1, all scenarios were effective to reducing the story drift, in order to adapt it to the adopted criterion and the Scenario 1-Optimized, which was equivalent to Scenario 3, with a single TMD at the top floor, it was considered the best alternative. In Building 2, it was found that all scenarios were able to control the structure and the story drift did not exceed the limit values, and Scenario 1-Optimized with a single TMD installed at the top floor, proved to be the best solution for this building. Finally, for Building 3, Scenario 4-Modified, with mass of the MTMDs equal to 6% of the structural mass, with 3 TMD arranged on the building plan, was the only one that had effective control on the response and story drift of structure, adapt it to the adopted criterion, being therefore, its best control scenario.