Redução da resposta dinâmica de torres metálicas treliçadas autoportantes submetidas à ação do vento através de amortecedores de ligação

Abstract

A expansão dos sistemas de transmissão de energia e de telecomunicações exige cada vez mais um aperfeiçoamento nos projetos das estruturas de suporte, onde torres metálicas são utilizadas na maioria dos casos. Este aperfeiçoamento se dá através da diminuição de material empregado, abrangência de área de alcance, mitigação dos custos e, principalmente, segurança. A principal ação utilizada para o dimensionamento destas torres metálicas é a ação do vento, uma vez que para atender as exigências de projeto, estas estruturas estão se tornando cada vez mais esbeltas. Torres metálicas treliçadas muito altas e esbeltas são bastante suscetíveis a vibrações, impostas principalmente pela ação do vento. Muitas vezes é necessário alterar a concepção do projeto ou fazer uso de dispositivos de controle de vibrações para reduzir as amplitudes da resposta e evitar a ruína da estrutura. Os dispositivos de controle de vibrações passivos são um dos tipos de amortecedores bastante conhecidos pelo seu ótimo desempenho para dissipar a energia do sistema e diminuir os efeitos das excitações dinâmicas. Entretanto, o acréscimo no custo do projeto pela adição de amortecedores passivos comerciais pode tornar o projeto muito caro, inviabilizando-o. Neste trabalho é utilizada uma alternativa aos convencionais tipos de amortecedores comerciais: o uso de elementos, como por exemplo anéis de borracha, nas ligações da estrutura para que estes dissipem a energia do sistema. A inserção destes elementos reduz a rigidez e aumenta o amortecimento da ligação e, por consequência, reduz a frequência natural de vibração da estrutura. Assim, é necessário determinar a rigidez e o amortecimento ótimos que diminuam os efeitos da ação do vento na torre. Portanto, esta tese propõe uma otimização na rigidez e no amortecimento das ligações em estruturas de torres metálicas treliçadas autoportantes submetidas aos efeitos dinâmicos do vento. Inicialmente a estrutura é avaliada considerando as ligações perfeitamente rígidas para, posteriormente, modificar a rigidez e o amortecimento das ligações em busca de uma redução nas amplitudes de deslocamento da torre. Por fim, as frequências naturais de vibração, a taxa de amortecimento e os deslocamentos máximos são comparados para as situações de ligação perfeitamente rígida e semirrígida. Os resultados mostraram que a metodologia proposta foi capaz de reduzir o deslocamento máximo para níveis considerados adequados.

The expansion of energy transmission and telecommunications systems increasingly requires improvement in the design of support structures, where metal towers are used in most cases. This improvement occurs through the reduction of material used, coverage of the reach area, cost mitigation and, mainly, safety. The main action used for the design of these metal towers is the action of the wind, since to meet the design requirements, these structures are becoming more and more slender. Very tall and slender latticed metal towers are very susceptible to vibrations, imposed mainly by the action of the wind. It is often necessary to change the design of the project or make use of vibration control devices to reduce the amplitudes of response and avoid the ruin of the structure. Passive vibration control devices are one of the types of dampers that are well known for their excellent performance in dissipating system energy and reducing the effects of dynamic excitations. However, the increase in the cost of the project by the addition of commercial passive dampers can make the project very expensive, making it unfeasible. In this work an alternative to the conventional types of commercial dampers is used: the use of elements, such as rubber rings, in the connections of the structure so that they dissipate the energy of the system. The insertion of these elements reduces the stiffness and increases the damping of the connection and, consequently, reduces the natural frequency of vibration of the structure. Thus, it is necessary to determine the optimum stiffness and damping that lessen the effects of wind action on the tower. Therefore, this thesis proposes an optimization in the rigidity and damping of the connections in structures of self-supporting latticed metallic towers submitted to the dynamic effects of the wind. Initially, the structure is evaluated considering perfectly rigid connections to later modify the rigidity and damping of the connections in search of a reduction in the tower's displacement amplitudes. Finally, the natural frequencies of vibration, the damping rate and the maximum displacements are compared for perfectly rigid and semi-rigid connection situations. The results showed that the proposed methodology was able to reduce the maximum displacement to levels considered adequate.