Otimização de parâmetros de projeto de amortecedores de massa sintonizados para controle de vibrações em passarelas metálicas

Abstract

O projeto de estruturas mais resistentes e econômicas é um fator importante para a indústria, e a constante evolução tecnológica permite aprimorar a forma como se projeta. Na área de construção civil, em especial de passarelas, uma das principais preocupações é a minimização de vibrações provenientes de carregamentos dinâmicos como o tráfego de pedestres e de veículos, ventos, sismos, etc. Esses carregamentos podem colocar em risco tanto a estabilidade da estrutura quanto a segurança dos pedestres. Para minimizar a amplitude das vibrações, uma das alternativas é a instalação de dispositivos de controle, como o amortecedor de massa sintonizado (AMS). Sendo um sistema passivo, o AMS não necessita controle externo, e sua estrutura simples facilita a instalação e diminui custos com manutenção. Mesmo com elevada capacidade de redução de vibrações, é possível melhorar a eficiência de AMSs por meio da otimização de seus parâmetros. Neste contexto, o processo de otimização realizado neste trabalho tem por objetivo reduzir a resposta dinâmica de duas passarelas submetidas à carga de pedestres, por meio da instalação de AMSs. Para isso, definiram-se dois parâmetros como variáveis de projeto: a rigidez e a constante de amortecimento dos AMSs. Com os parâmetros obtidos pelo algoritmo de otimização, o Backtracking Search Optimization Algorithm (BSA), determinam-se as respostas dinâmicas otimizadas das estruturas. Foram estudados três casos de otimização para cada passarela, considerando 1, 2 e 3 AMSs posicionados nos nós centrais dessas estruturas. Para a passarela Warren, as reduções por otimização foram em torno de 15%, 40% e 50% maiores em relação ao dimensionamento sem otimização, em termos de deslocamento, velocidade e aceleração, respectivamente. Para a passarela Pratt essas reduções foram acima de 20%, 10% e 5%. Os resultados demonstram a efetividade do método proposto, visto que foi capaz de otimizar os parâmetros dos AMSs, reduzindo a resposta dinâmica das estruturas e assim minimizando os efeitos de vibração sobre as passarelas, o que por sua vez reduz o risco de falhas estruturais. Além disso, após a otimização, a resposta em termos de aceleração se situou dentro da faixa estabelecida nas normas consultadas, o que garante, além da segurança, também o conforto dos pedestres.

The design of more resistant and economical structures is an important factor for the industry, and the constant technological evolution allows to improve the way it is projected. In the area of civil construction, especially structures as footbridges, one of the main concerns is the minimization of vibrations from dynamic loads such as pedestrian and vehicle traffic, winds, earthquakes, among others. Such loads can endanger both the stability of the structure and the safety of pedestrians. To reduce vibration amplitudes, one of the alternatives is the installation of control devices, such as the tuned mass damper (TMD). As a passive system, the TMD does not require external control, and its simple construction structure facilitates installation and reduces maintenance costs. Even with high vibration reduction capacity, it is possible to improve the efficiency of TMDs by optimizing their design parameters. In this context, the optimization process performed in this work aims to reduce the dynamic response of two footbridges under pedestrian load, through the installation of TMDs. For this, two parameters were defined as design variables: stiffness and damping coefficient of the TMDs. With the parameters obtained by the optimization algorithm, the Backtracking Search Optimization Algorithm (BSA), the optimized dynamic responses of the structures are determined. Three optimization cases were studied for each footbridge, considering 1, 2 and 3 TMDs positioned in the central nodes of these structures. For the Warren footbridge, optimization reduced dynamic response above 15%, 40% and 50% more than non-optimized TMDs, in terms of displacement, speed and acceleration, respectively. For the Pratt footbridge, these reductions were above 20%, 10% and 5% higher. The results demonstrate the effectiveness of the proposed method, since it was able to optimize the parameters of the AMSs, reducing the dynamic response of the structures and thus minimizing the effects of vibration on the footbridges, which in turn reduces the risk of structural failures. In addition, after optimization, the response in terms of acceleration was within the range established in the consulted standards, which guarantees, in addition to safety, also pedestrian comfort.