Otimização robusta de amortecedores de massa sintonizados com atrito em estrutura submetida a excitações sísmicas

Abstract

Esta dissertação trata da otimização robusta de múltiplos amortecedores de massa sintonizados com atrito (MAMSA) aplicados ao controle de vibrações em estruturas sujeitas a excitações sísmicas. O estudo é focado em melhorar a resposta estrutural de um edifício de dez andares frente a eventos sísmicos, reduzindo o deslocamento relativo entre andares através da aplicação de MAMSA otimizados. Para gerar excitações sísmicas artificiais, utiliza-se o método de Kanai-Tajimi, que modela os terremotos com base em dados estatísticos fornecidos de frequência, amortecimento e pico de aceleração do solo. Em seguida, o desempenho de MAMSA é verificado por meio de simulações com registros de sismos reais, assegurando a aplicabilidade dos resultados. A estratégia de otimização robusta desenvolvida nesta dissertação considera incertezas nas variáveis de entrada do sismo artificial, da estrutura principal e dos MAMSA, com busca de valores ótimos de rigidez e força de atrito para cada dispositivo instalado. Para realizar a otimização, é utilizado o algoritmo meta-heurístico Circle-Inspired Optimization Algorithm (CIOA), que se mostra eficaz em buscar soluções robustas em cenários complexos e com múltiplos graus de liberdade. Três cenários de disposição dos MAMSA são considerados, variando a quantidade e a localização dos dispositivos ao longo do edifício, de forma a avaliar diferentes configurações e buscar a melhor solução para reduzir a resposta dinâmica da estrutura. O estudo avalia o desempenho dos diferentes cenários com base nos limites normativos de máximo deslocamento relativo entre andares, assegurando que as soluções estejam em conformidade com a norma americana de segurança estrutural ASCE/SEI 7-22. As rotinas computacionais necessárias para a análise dinâmica e a implementação da metodologia de otimização foram desenvolvidas em MATLAB e o método de Newmark foi empregado para obter a resposta dinâmica da estrutura. Os resultados obtidos demonstram a eficácia da metodologia proposta, comprovando que MAMSA otimizados proporcionam uma redução significativa nas respostas estruturais.

This dissertation deals with the robust optimization of multiple friction-tuned mass dampers (MFTMD) applied to vibration control in structures subjected to seismic excitations. The study focuses on improving the structural response of a ten-story building to seismic events, reducing the relative displacement between floors through the application of optimized MFTMD. To generate artificial seismic excitations, the Kanai-Tajimi method is used, which models earthquakes based on statistical data provided for frequency, damping and peak ground acceleration. Then, the performance of MFTMD is verified through simulations with records of real earthquakes, ensuring the applicability of the results. The robust optimization strategy developed in this dissertation considers uncertainties in the input variables of the artificial earthquake, the main structure and the MFTMD, searching for optimal values of stiffness and friction force for each device installed. The Circle-Inspired Optimization Algorithm (CIOA) metaheuristic algorithm is used to perform the optimization, which has proven to be effective in finding robust solutions in complex scenarios with multiple degrees of freedom. Three MFTMD arrangement scenarios are considered, varying the number and location of the devices throughout the building, in order to evaluate different configurations and find the best solution to reduce the dynamic response of the structure. The study evaluates the performance of the different scenarios based on the normative limits of maximum relative displacement between floors, ensuring that the solutions comply with the American structural safety standard ASCE/SEI 7-22. The computational routines necessary for the dynamic analysis and implementation of the optimization methodology were developed in MATLAB and the Newmark method was used to obtain the dynamic response of the structure. The results obtained demonstrate the effectiveness of the proposed methodology, proving that optimized MFTMD provide a significant reduction in structural responses.