Roberto de Almeida Souza
Título
Controle Passivo/Ativo das Oscilações de Estruturas Esbeltas por meio de Dispositivos Fluido-Dinâmicos
Resumo
Estruturas altas e esbeltas de edifícios têm, em geral, baixas freqüências e pequenas taxas de amortecimento associados aos modos fundamentais de oscilação. Sob ação de forças dinâmicas ambientais, como por exemplo as geradas pelo vento, essas estruturas podem apresentar grandes amplitudes de oscilação. Para atenuar essas amplitudes, diferentes soluções têm sido adotadas, cada uma adequada às características da ação dinâmica ambiental e às características físicas e geométricas do sistema estrutural. Neste trabalho propõe-se a utilização de sistemas fluido-dinâmicos híbridos para o controle passivo/ativo das oscilações, concebidos a partir dos tradicionais atenuadores líquidos para controle passivo. O desenvolvimento do modelo matemático do sistema híbrido é feito a partir de um atenuador de coluna líquida, constituído de um ou mais recipientes tubulares em forma de "U" contendo fluido, que gera forças hidráulicas que se opõem às forças de inércia causadas na estrutura pelas ações externas. Alguns dos principais aspectos de projeto, propriedades dinâmicas e desempenho de alguns dispositivos fluido-dinâmicos e mecânicos tradicionais de controle passivo são apresentados e discutidos com o auxílio dos resultados obtidos com modelos analíticos e numéricos do sistema estrutural discretizado via MEF, além das respostas do sistema controlado pelos dispositivos fluido-dinâmicos híbridos aqui propostos. Para demonstrar a viabilidade técnica, a praticidade e o desempenho desses dispositivos de controle híbrido das amplitudes das oscilações, são apresentados dois exemplos de aplicação prática na redução das oscilações por flexão de estruturas esbeltas de edifícios altos sob ação do vento.
Abstract
Tall and slender building structures have, in general , low frequencies and damping ratios associated with the fundamental oscillation modes and, when subjected to dynamic loadings, they may experience large amplitudes of bending oscillation. To attenuate these oscillation amplitudes a few engineering solutions have been adopted, each one with attributes adequate for each type of dynamic loading and for the physical and geometrical features of the structural system. In the present work hybrid fluid-dynamic systems are proposed for the active/passive control of oscillations, which are conceived on the basis of the traditional tuned liquid dampers. The mathematical model of the hybrid system is developed from is passive counterpart, i.e. a tuned liquid column damper, which is one or more "U" shape tubes filled with fluid that when in motion generates hydraulic forces which counteract the inertia forces induced by the dynamic loading acting on the structure. Some of the main design aspects, dynamic properties and the resulting performance of some of the traditional liquid and mechanical dampers for passive control are presented and discussed with the aid of the results obtained by using both analytical and FEM models, together with comparisons between the controlled responses of the structure having attached the proposed hybrid fluid-dynamic devices. To demonstrate the feasibility and performance of these hybrid control devices in attenuating oscillations two examples of practical application for reducing bending vibration amplitudes of slender structures of tall buildings under wind force are presented.
