Otimização de amortecedores viscoelásticos para minimização de vibrações de edificações submetidas a sismos

Abstract

Devido à crescente demanda pela utilização de dispositivos dissipadores de energia para mitigação de sismos, surge a necessidade da definição do posicionamento e do tipo de dispositivo a ser utilizado em cada caso. Dessa forma, a escolha entre dispositivos com atuação passiva ou ativa depende da complexidade do projeto e do custo de implementação dos mesmos. Dentro do grupo de amortecimento passivo, que apresenta menor custo de implementação devido à ausência de controladores, destaca-se o amortecedor viscoelástico. Esse tipo de amortecedor tem sua utilização conhecida para mitigação da ação de ventos, apresentando carência de pesquisas quanto a sua efetividade para mitigação de sismos. Ainda, a otimização do posicionamento desses dispositivos, juntamente da otimização de parâmetros de projeto do amortecedor, apresenta-se como uma área promissora para o desenvolvimento de pesquisas. Nesse contexto, a pesquisa apresenta o desenvolvimento de uma rotina computacional a qual utiliza um algoritmo metaheurístico de busca baseado em princípios da natureza, o Whale Optimization Algorithm (WOA) aplicado a uma rotina de análise dinâmica de estruturas utilizando o método de Newmark, 1959, que engloba um código para geração de sismos artificiais a partir do filtro de Kanai-Tajimi, 1961 e 1960. Essa rotina buscou otimizar o posicionamento e os parâmetros de quatro amortecedores viscoelásticos seguindo o modelo de Kelvin, em uma estrutura de oito andares, visando a adequação das respostas da estrutura, em termos do deslocamento relativo dos pavimentos, perante a norma brasileira vigente. A utilização do WOA foi feita a partir da utilização de 3000 agentes de busca durante 20 iterações do algoritmo buscando minimizar a função objetivo definida como sendo o inter-story drift. Os resultados obtidos demonstraram a existência de uma rigidez equivalente ótima, ou módulo de armazenamento de energia, de 42 kN/mm para os quatro amortecedores, os quais devem ser instalados nos primeiros quatro andares da estrutura. Conclui-se ainda que a rotina desenvolvida apresentou resultados satisfatórios quanto à redução do drift, permanecendo 35% abaixo do limite da norma vigente para o pior caso. Também, comprovou-se a efetividade do fator PF = 4 proposto por Shukla e Datta, 1999, para a determinação da rigidez equivalente dos amortecedores viscoelásticos.

Due to the growing demand for the use of energy-dissipating devices to mitigate earthquakes, there is a need to define the type and position of the devices to be used in each case. Thus, the choice between devices with passive or active performance depends on the complexity of the project and the cost of the implementation. Within the passive damping group, which has a lower implementation cost due to the absence of controllers, the viscoelastic damper stands out. This type of damper has its known use for mitigating the action of winds, presenting a lack of research regarding its effectiveness for mitigating earthquakes. Still, the optimization of the positioning of these devices, together with the optimization of damper design parameters, presents itself as a promising area for research development. In this context, the research presents the development of a computational routine for the use of a metaheuristic search algorithm based on principles of nature, the Whale Optimization Algorithm (WOA), applied to a dynamic structure analysis routine using the method of Newmark, 1959, which uses a code to generate random earthquakes from the Kanai-Tajimi filter, 1961 and 1960. This routine search to optimize the position and parameters of four viscoelastic dampers following the Kelvin model, in an eight-story structure, aiming the adaptation of the structure's responses, in terms of the relative displacement of the floors, in relation to the current standard. The use of WOA was made using 3000 search agents during 20 iterations of the algorithm seeking to minimize the objective function defined as being the inter-story drift. The results obtained demonstrated the existence of an equivalent stiffness, or energy storage module, of 42 kN/mm for the four dampers, which must be installed on the first four floors of the structure. It is also concluded that the developed routine presented satisfactory results in terms of drift reduction, remaining 35% below the limit of the current standard for the worst case. Also, the effectiveness of the PF = 4 factor proposed by Shukla and Datta, 1999, for determining the equivalent stiffness of viscoelastic dampers was proven.