Otimização de pórticos de aço e amortecedores viscosos sob excitação sísmica - Barranco, Cristian Berastegui (2020)
O projeto estrutural otimizado é uma área relativamente nova que teve avanços importantes na última década. Seu objetivo geral, normalmente, é minimizar o peso ou o custo das estruturas projetadas, levando em consideração as condições mínimas necessários para garantir a durabilidade e bom funcionamento destas. Para estruturas submetidas à excitação sísmica, um dos aspectos mais importantes é a limitação dos deslocamentos relativos entre andares (drift). Para controlar e reduzir as amplitudes de vibração geradas pelos sismos, podem ser instalados nas estruturas dispositivos passivos de dissipação de energia tais como amortecedores viscosos. Como grande vantagem, os sistemas de controle passivos, para sua ativação, não requerem fontes externas de energia. Os amortecedores viscosos são compactos e fáceis de instalar, além disso seus custos de manutenção são baixos em relação a outros dispositivos. Neste contexto, este trabalho visa propor uma metodologia para obtenção do projeto ótimo de pórticos planos de aço resistentes à carga sísmica equipados com amortecedores viscosos otimizados (amortecimento ótimo). Inicialmente é realizado o projeto de um pórtico sob carga sísmica sem levar em consideração a limitação de deslocamento relativo (drift) para depois fazer controle da resposta dinâmica adicionando e otimizando amortecedores viscosos em cada andar do pórtico. O presente trabalho foi desenvolvido seguindo as considerações das Specification for Structural Steel Buildings ANSI/AISC 360-16, 2016 (chamado daqui em diante neste trabalho como especificações ANSI/AISC 360-16), as Seismic Provisions for Structural Steel Buildings ANSI/AISC 341-16, 2016 (que vão ser chamadas neste documento como disposições ANSI/AISC 341-16) e o Manual of Steel Construction, Load & Resistance Factor Design LRFD - AISC, 1986 (o qual vai ser chamado como manual LRFD – AISC). A otimização do pórtico na primeira fase teve como objetivo minimizar a massa da estrutura e a otimização dos amortecedores na segunda fase foi feita com o objetivo de diminuir o drift até que as especificações fornecidas pelas normas fossem respeitadas. Para resolver os problemas de otimização levantados aqui foi usado um algoritmo Differential Evolution (DE) determinístico com o intuito de evitar a necessidade de definição manual dos parâmetros que configuram o algoritmo de otimização, além de melhorar e agilizar o processo de busca. O DE é um algoritmo meta-heurístico baseado em população que tem sido amplamente usado em vários estudos com problemas de variáveis continuas e discretas. Os processos de otimização (pórtico e amortecedores) e o projeto da estrutura foram realizados através de rotinas computacionais desenvolvidas no software MatLab e a análise estrutural dinâmica foi realizada no software OpenSees. O desenvolvimento completo do trabalho foi realizado vinculando ambos os softwares. Os resultados do estudo demostraram que, a fim de respeitar a restrição do drift de ℎ400 estabelecida pela norma, foi possível diminuir em mais de 67% o drift máximo do pórtico sob uma carga sísmica, assim como também foi diminuído em mais de 59% o deslocamento no topo da estrutura. Além disso, foi determinada que a economia de material oferecida pelo uso de amortecedores viscosos para o desenvolvimento de uma estrutura resistente à carga sísmica em relação a uma estrutura sismo-resistente sem o uso de amortecedores é de aproximadamente 70%.