Otimização robusta de sistema de controle híbrido (AMR+ADS) para a redução de vibrações em edifícios submetidos a sismos

Abstract

Vibrações excessivas podem causar muitos danos às edificações podendo até mesmo levar ao colapso estrutural, que além de perdas econômicas, podem causar perda de vidas. Nesse contexto, o controle de vibrações é uma alternativa capaz de reduzir essas vibrações a níveis aceitáveis conforme critérios de controle presentes em normas de projeto. Sendo assim, este trabalho investiga a eficiência de um sistema de controle de vibrações híbrido, composto por amortecedores magneto-reológicos (AMR) e atenuador dinâmico sincronizado (ADS), na redução do deslocamento relativo entre andares (story drift) de edifícios submetidos a sismos. Dois edifícios de diferentes alturas foram analisados (EDF 01 com 4 andares e EDF 02 com 10 andares) considerando excitações sísmicas reais e artificiais. O desempenho do sistema de controle foi avaliado em diferentes cenários, quais sejam: AMR desligados (AMR-OFF), AMR ligados com corrente constante (AMR-ON), AMR com controle de corrente via LQR (COLQR), ADS otimizado e controle híbrido (AMR+ADS) com parâmetros otimizados através do algoritmo WOA. O critério de controle adotado foi o limite de story drift correspondente a 1/400 da altura do andar (0,0075 m). Em campo determinístico, os resultados demonstraram que o controle híbrido (AMR+ADS) foi o único capaz de adequar a resposta estrutural ao critério de controle para ambos os edifícios e em todos os sismos aplicados, reduzindo significativamente os deslocamentos relativos em todos os andares. No EDF 01 por exemplo, o sistema híbrido reduziu o story drift do primeiro andar em aproximadamente 67,55% para a excitação SANE 1. Em campo aleatório foram inseridas incertezas nas propriedades dos edifícios e do sistema de controle, as quais foram modeladas como variáveis aleatórias com distribuição Normal, e os resultados mostraram que o sistema híbrido reduziu significativamente a média e a variância dos story drift, indicando uma minimização das incertezas na resposta estrutural em ambas as edificações. No caso do EDF 02, mesmo com maior altura e complexidade dinâmica que o EDF 01, o controle híbrido se mostrou eficaz tanto em campo determinístico quanto em campo aleatório, para todos os sismos aplicados, gerando bom desempenho sobretudo nos andares inferiores, onde o story drift tende a ser mais crítico. A estratégia de controle híbrido demonstrou robustez frente às incertezas estruturais e de projeto do sistema de controle, configurando-se como uma solução eficiente para mitigar os efeitos dinâmicos provocados por sismos e atendendo aos critérios normativos de controle em ambas as abordagens (determinística e aleatória).

Excessive vibrations may cause severe damage to buildings and, in extreme cases, lead to structural collapse, resulting not only in economic losses but also in casualties. In this context, vibration control system is an alternative to reduce these vibrations to acceptable levels, according to the control criteria established in design codes. The present study investigates the effectiveness of a hybrid vibration control system, composed of magnetorheological dampers (MR) and tuned mass damper (TMD), in reducing the story drift of buildings subjected to seismic excitation. Two buildings of different heights were analyzed (EDF 01 with 4 stories and EDF 02 with 10 stories), considering both real and artificial seismic excitations. The performance of the control system was evaluated under different scenarios: MR turned off (MROFF), MR activated with constant current (MR-ON), MR with optimal control by LQR (COLQR), optimized TMD, and hybrid control (MR+TMD) with parameters optimized through the Whale Optimization Algorithm (WOA). The control criterion was defined as the story drift limit of 1/400 of the story height (0.0075 m). In the deterministic analysis, the results demonstrated that the hybrid control (MR+TMD) was the only strategy able of meeting the story drift control criterion for both buildings, under all applied seismic excitations, significantly reducing relative displacements at all stories. For instance, in EDF 01, the hybrid system reduced the first-story drift by up to 67.55% under the SANE 1 record. In the probabilistic analysis, structural and control-system uncertainties were introduced and modeled as random variables with Normal distribution. The results indicated that the hybrid system maintained strong performance, reducing both the mean and variance of story drift and mitigating uncertainties in the structural response of both buildings. For EDF 02, despite its greater height and more complex dynamics compared to EDF 01, the hybrid control strategy proved effective in both deterministic and probabilistic analyses, particularly improving performance in the lower stories, where story drift tends to be more critical. Overall, the proposed hybrid control strategy demonstrated robustness against structural and design uncertainties, establishing itself as an efficient solution for mitigating the dynamic effects of earthquakes while meeting compliance with code-based story drift control requirements in both deterministic and probabilistic approaches.