Otimização de amortecedores de massa sintonizada tipo pêndulo para controle passivo de vibrações de estruturas altas e esbeltas sob excitações sísmicas

Abstract

Para mitigar el efecto de las vibraciones inducidas por la excitación de base creada por las ondas sísmicas, uno de los dispositivos utilizados es un controlador de vibraciones denominado TMD (Tuned Mass Damper). Este trabajo presenta el proceso de optimización de la longitud, masa y tasa de amortiguamiento de un TMD tipo péndulo colocado en la parte alta de la estructura, con el objetivo de minimizar la vibración de la estructura principal sometida a movimientos sísmicos. En este trabajo se modela en elementos finitos 3 diferentes estructuras esbeltas de gran altura, para cada estructura se obtiene la rigidez, masa y amortiguamiento equivalentes, para modelar un sistema masa-resorte-amortiguador equivalente, de 1 grado de libertad (DOF), donde se le acopla un TMD tipo péndulo, obteniendo así un sistema de 2 GDL. Los dos sistemas fueron sometidos a fuerzas sísmicas a través de 9 registros de aceleración y mediante métodos de teoría matemática de optimización se obtuvieron los parámetros TMD óptimos del péndulo, que minimizan las vibraciones de la estructura principal. Como resultados se muestra que en el 70% de los casos la minimización de vibraciones de la estructura principal se redujo entre 30% y 77.8%.

Movimentos sísmicos são eventos de grande perigo para estruturas civis. Estes fenômenos ocorrem com maior intensidade em regiões próximas ao encontro de placas tectônicas. Para mitigar o efeito das vibrações, induzidas pela excitação de base criadas pelas ondas sísmicas, um dos dispositivos utilizados é um absorvedor de vibração denominado TMD (Tuned Mass Damper). Esses sistemas têm chamado a atenção de pesquisadores na última década, desenvolvendo estudos para melhorar seu desempenho. Nesse sentido, este trabalho apresenta o processo de otimização do comprimento, massa e taxa de amortecimento dum TMD alocado no topo da estrutura, as quais conduzem ao objetivo deste trabalho, que é minimizar a vibração da estrutura principal submetida a movimentos sísmicos. A pesquisa iniciou com a modelagem em elementos finitos de 3 estruturas esbeltas de grande altura, com períodos naturais de vibração diferentes. Em cada estrutura foi aplicada uma força estática, para obter a rigidez equivalente, correspondente a um sistema de 1 grau de liberdade (GDL). Em seguida, foi modelado um sistema massa-mola-amortecedor equivalente à estrutura original, à qual foi acoplado uma massa tipo pêndulo (TMD) com caraterísticas de comprimento, massa e taxa de amortecimento não otimizadas. Transformou-se, assim, a estrutura de muitos graus de liberdade em um sistema de 2 GDL (1 GDL da estrutura e1 GDL do pêndulo). Os 2 sistemas de 1 e 2 GDL foram submetidos a forças sísmicas mediante 9 registros de acelerações, para obter os deslocamentos máximos e o histórico do deslocamento durante a ação sísmica, e assim, comparar a variação desses parâmetros. Mediante métodos de teorias de otimização matemática foram obtidos os parâmetros ótimos do TMD, que em um 37% dos 27 casos em estudo, minimizaram as vibrações em um 50%, em mais de 70% dos casos minimizaram as vibrações pelo menos em 30% e somente um caso teve uma redução na vibração de 10%, concluindo que a alocação de um TMD com caraterísticas ótimas é uma boa opção para o controle de vibrações em estruturas altas e esbeltas submetidas a movimentos sísmicos.