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Análise da influência do uso de TMDs na resposta sísmica de edifícios altos Maria Leonor Andrade e Sousa Braula Reis Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Orientador: Professor Luís Manuel Coelho Guerreiro Júri Presidente: Professor José Joaquim Costa Branco de Oliveira Pedro Orientador: Professor Luís Manuel Coelho Guerreiro Vogal: Professor Carlos Alberto Ferreira de Sousa Oliveira Outubro de 2015

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Análise da influência do uso de TMDs na resposta sísmica

de edifícios altos

Maria Leonor Andrade e Sousa Braula Reis

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Civil

Orientador: Professor Luís Manuel Coelho Guerreiro

Júri

Presidente: Professor José Joaquim Costa Branco de Oliveira Pedro

Orientador: Professor Luís Manuel Coelho Guerreiro

Vogal: Professor Carlos Alberto Ferreira de Sousa Oliveira

Outubro de 2015

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II

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III

RESUMO

As estruturas altas são um desafio no âmbito da engenharia pela sua elevada vulnerabilidade às acções

horizontais. A resposta destas estruturas a uma acção dinâmica horizontal como a acção sísmica

depende largamente das suas características dinâmicas. A protecção sísmica vem conferir às

estruturas um comportamento dinâmico mais adequado, como é o caso do TMD (do inglês Tuned Mass

Damper). Este dispositivo actua ao gerar uma reacção de sentido contrário ao movimento da estrutura

induzido por uma acção dinâmica. Neste estudo foram testados os fundamentos teóricos do

funcionamento do TMD formulados no passado através de análises paramétricas numéricas sobre duas

estruturas: um oscilador de um grau de liberdade e uma estrutura real de um edifício alto, a Torre Hito

Cultural, um edifício com 30 pisos, em construção no Perú. Em cada um desses estudos foram

realizados conjuntos de testes que avaliaram cada um dos parâmetros que mais condicionam a eficácia

do TMD no controlo da resposta sísmica da estrutura, nomeadamente a massa, frequência,

amortecimento e localização do TMD e o amortecimento da estrutura base. Foram sempre comparadas

a resposta de cada estrutura antes e depois da colocação do TMD. Com estes dados foi concluído que

o TMD é um dispositivo pouco eficaz no controlo da resposta sísmica de edifícios altos, nomeadamente

em edifícios com características de flexibilidade altas.

PALAVRAS-CHAVE

Sistemas de Protecção Sísmica, Tuned Mass Damper, Edifícios Altos, Acção Sísmica

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IV

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V

ABSTRACT

Tall buildings are often a challenging type of structures in the engineering field due to their high

vulnerability to horizontal loads. The response of this type of structures to dynamic horizontal loads like

seismics loads depends greatly on its dynamic behaviour. Through the incorporation of seismic

protection, like Tuned Mass Dampers, structures can attain a better dynamic response. This device

counteracts the strucutre’s motion by creating a reaction on it in the opposite direction throughout the

time of exposition to the dynamic load. In this study, the theoretical basis of the TMD’s operation are

tested through numerical analyses on two structures: a single-degree-of-freedom oscillator and a real

high rise building under construction in Peru, with 30 floors. For each strucutre, a set of tests were

performed, each one to evaluate one of the parameters that affects the most the effectiveness of the

TMD on the control of the strucutre’s seismic behaviour, namely the mass, the frequency, the damping

and location of the TMD, and the damping of the base structure. The different responses of the structure

before and after the installation of the device were compared. With the obtained results, it was concluded

that TMDs are not very effective in controlling the seismic behaviour of tall buildings.

KEYWORDS

Seismic Protective Systems, Tuned Mass Damper, Tall Buildings, Seismic Load

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VI

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VII

ÍNDICE DO TEXTO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 1

1.1 Enquadramento ....................................................................................................................... 1

1.2 Objectivos da dissertação ....................................................................................................... 1

1.3 Metodologia do trabalho .......................................................................................................... 1

1.4 Estrutura da dissertação .......................................................................................................... 2

2 SISMOS EM EDIFÍCIOS ALTOS ..................................................................................................... 5

2.1 Acção sísmica.......................................................................................................................... 5

2.2 Registo histórico de eventos sísmicos .................................................................................... 5

2.3 Edifícios altos - introdução ...................................................................................................... 7

2.4 Edifícios altos – resposta à acção sísmica .............................................................................. 8

3 PROTECÇÃO SÍSMICA ATRAVÉS DO USO DE TUNED MASS DAMPERS .............................. 11

3.1 Dimensionamento anti-sísmico de estruturas: estratégias ................................................... 11

3.2 Sistemas de Protecção Sísmica ............................................................................................ 12

3.3 TMD – fundamento teórico .................................................................................................... 14

3.4 Adaptações do modelo teórico .............................................................................................. 21

Acção sísmica .................................................................................................................... 21

Graus de liberdade ............................................................................................................ 22

3.5 Processo de dimensionamento ............................................................................................. 22

3.6 TMDs e edifícios altos ........................................................................................................... 23

Estudos realizados ............................................................................................................ 23

Aplicações existentes ........................................................................................................ 24

4 ESTUDO PRELIMINAR ................................................................................................................. 27

4.1 Introdução .............................................................................................................................. 27

4.2 Modelo base .......................................................................................................................... 27

4.3 Aplicação do TMD ................................................................................................................. 28

4.4 Acções impostas ................................................................................................................... 29

4.5 Resultados ............................................................................................................................. 30

4.6 Conclusões ............................................................................................................................ 40

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VIII

5 CASO DE ESTUDO ....................................................................................................................... 41

5.1 Introdução .............................................................................................................................. 41

5.2 Estrutura base ....................................................................................................................... 41

Estrutura real e modelo computacional ............................................................................. 41

Comportamento dinâmico da estrutura livre ..................................................................... 43

5.3 Dimensionamento e modelação do TMD .............................................................................. 50

Estudo paramétrico 1 - factor 𝝁 ......................................................................................... 51

Estudo paramétrico 2 – localização do TMD ou múltiplos TMDs ...................................... 58

Estudo paramétrico 3 – amortecimento do TMD ............................................................... 62

Análise comparativa .......................................................................................................... 64

Estudo sobre acção sinusoidal .......................................................................................... 65

6 CONCLUSÕES E FUTUROS DESENVOLVIMENTOS ................................................................. 67

7 REFERÊNCIAS .............................................................................................................................. 69

8 ANEXOS ........................................................................................................................................ 71

8.1 ANEXO 1 – ACELEROGRAMAS UTILIZADOS .................................................................... 71

8.2 ANEXO 2 – VARIAÇÃO DOS DESLOCAMENTOS COM AS SOLUÇÕES 𝝁 = 𝟒% E 𝝁 = 𝟓%

74

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IX

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 – Mortes causadas por desastres naturais no período 1950 – 2015: nº total de mortes

(esq.) e nº médio de mortes por ocorrência (dir.) (EM-DAT, 2015) ................................................. 6

Figura 2.2 - Representação esquemática dos três primeiros modos de vibração de um edifício

corrente ............................................................................................................................................ 8

Figura 2.3 - Representação esquemática do período natural de edifícios de diferentes alturas

(Hutchinson et al. 2001) ................................................................................................................. 10

Figura 3.1 - Esquema representativo de um TMD sobre uma estrutura (Makita Corporation, 2015) ... 13

Figura 3.2 - Modelo teórico do funcionamento de um TMD sem amortecimento sobre uma estrutura

também sem amortecimento .......................................................................................................... 14

Figura 3.3 – Variação do coeficiente de amplificação dinâmica da estrutura base com 𝝎𝟏, para as

situações sem TMD e com TMD (𝝃𝟐 = 𝝃𝟏 = 𝟎, 𝒒 = 𝟏, 𝝁 = 𝟎. 𝟎𝟓 e 𝝁 = 𝟎. 𝟐) ................................ 16

Figura 3.4 - Modelo teórico do funcionamento de um TMD com amortecimento sobre uma estrutura

sem amortecimento ........................................................................................................................ 17

Figura 3.5 - Variação do coeficiente de amplificação dinâmica da estrutura base com 𝝎𝟏 num sistema

com TMD tomando q=1, 𝝁=0.2 e fazendo variar o amortecimento do TMD (𝝃𝟐 = 𝟎. 𝟏, 𝝃𝟐 = 𝟎. 𝟏𝟓 e

𝝃𝟐 = 𝟎. 𝟐) ........................................................................................................................................ 17

Figura 3.6 - Variação do coeficiente de amplificação dinâmica da estrutura base com 𝝎𝟏 num sistema

com TMD tomando 𝝁=0.25, 𝝃𝟐=0.219 e fazendo variar o parâmetro q (𝒒 = 𝟎. 𝟕, 𝒒ó𝒑𝒕=0.8 e 𝒒 =

𝟎. 𝟗) ................................................................................................................................................. 19

Figura 3.7 - Modelo teórico do funcionamento de um TMD com amortecimento sobre uma estrutura

sem amortecimento ........................................................................................................................ 20

Figura 3.8 – Curvas de amplificação dinâmica em função de 𝒒 e de 𝝃𝟐, adaptado de (Bachmann and

Weber, 1995) .................................................................................................................................. 20

Figura 3.9 - Curvas do parâmetro q óptimo em função do parâmetro μ, para diferentes coeficientes de

amortecimento da estrutura principal (𝝃𝟏 = 𝟎%, 𝝃𝟏 = 𝟏%, 𝝃𝟏 = 𝟐% e 𝝃𝟏 = 𝟓%), adaptado de

(Bachmann and Weber, 1995) ....................................................................................................... 21

Figura 3.10 – TMD instalado no edíficio John Hancock Tower (LeMessurier, 2015) ........................... 24

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X

Figura 3.11 – Edifício Taipei 101 (dir.), localização do TMD (centro) e pormenor do TMD (dir.).

Adaptado de (Wikipedia, 2015; Hernández, 2015) ........................................................................ 25

Figura 4.1 - Deformadas dos modos de vibração de uma estrutura com dois graus de liberdade ...... 28

Figura 4.2 - Comparação das frequências de vibração para vários factores μ .................................... 32

Figura 4.3 - Variação dos deslocamentos do oscilador para diferentes factores μ, para uma acção

sinusoidal (esq.) e para uma acção sísmica (dir.) ......................................................................... 33

Figura 4.4 - Variação dos deslocamentos do oscilador para diferentes factores 𝝃𝟐, para uma acção

sinusoidal (esq.) e para uma acção sísmica (dir.) ......................................................................... 35

Figura 4.5 - Comparação das frequências de vibração para vários factores 𝒒 .................................... 37

Figura 4.6 - Variação dos deslocamentos do oscilador para diferentes factores q, para uma acção

sinusoidal (esq.) e para uma acção sísmica (dir.) ......................................................................... 38

Figura 5.1 – Projecto do edifício Torre Hito Cultural (COSAPI, 2015) .................................................. 42

Figura 5.2 – Modelo estrutural 3D (esq.); Planta corrente (baixo); Planta aumentada dos pisos 1 a 7

(cima à esq.); Planta reduzida dos pisos 1 e 2 (cima à dir.) .......................................................... 42

Figura 5.3 - Deformadas dos 3 primeiros modos de vibração .............................................................. 43

Figura 5.4 – Identificação dos alinhamentos sujeitos a análise ............................................................ 44

Figura 5.5 - Evolução dos deslocamentos absolutos da estrutura livre em altura nas duas direcções e

nos 4 alinhamentos, para acção sísmica em X (esq.) e em Y (dir.) .............................................. 45

Figura 5.6 – Deformada do último piso para a acção sísmica segundo X (esq.) e segundo Y (dir.) .... 46

Figura 5.7 - Evolução dos deslocamentos relativos da estrutura livre em altura nos 4 alinhamentos, na

direcção da acção sísmica (X à esquerda e Y à direita) ................................................................ 47

Figura 5.8 - Evolução do esforço transverso em altura para a acção sísmica segundo X (esq.) e

segundo Y (dir.) .............................................................................................................................. 49

Figura 5.9 – Imagem da modelação de um TMD no topo do edifício ................................................... 51

Figura 5.10 – Evolução dos deslocamentos em altura para os 4 testes do estudo paramétrico 1 ...... 53

Figura 5.11 – Variação dos deslocamentos absolutos em altura para os vários testes do estudo

paramétrico 1 ................................................................................................................................. 54

Figura 5.12 – Comparação da variação de deslocamentos absolutos para os 4 testes do estudo

paramétrico 1 ................................................................................................................................. 55

Figura 5.13 - Variação do esforço transverso em altura para os 4 testes do estudo paramétrico 1 ... 56

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XI

Figura 5.14 - Comparação da variação de esforços transversos para os 4 testes do estudo

paramétrico 1 ................................................................................................................................. 57

FIgura 5.15 - Variação dos deslocamentos absolutos em altura para os vários testes do estudo

paramétrico 2 ................................................................................................................................. 59

Figura 5.16 - Comparação da variação de deslocamentos absolutos para os vários testes do estudo

paramétrico 2 ................................................................................................................................. 60

FIgura 5.17 - Variação do esforço transverso em altura para os vários testes do estudo paramétrico 2

........................................................................................................................................................ 61

FIgura 5.18 - Comparação da variação de esforços trasnversos para os vários testes do estudo

paramétrico 2 ................................................................................................................................. 61

Figura 5.19 – Variação dos deslocamentos absolutos em altura para os vários testes do estudo

paramétrico 2 ................................................................................................................................. 63

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XII

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XIII

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 2.1 - Registo dos sismos mais mortíferos desde 1990 (USGS, 2015). ...................................... 7

Tabela 3.1 – Definição dos parâmetros de estudo do funcionamento de um TMD sem amortecimento

........................................................................................................................................................ 15

Tabela 4.1 - Propriedades do oscilador de 1 grau de liberdade utilizado no estudo preliminar ........... 28

Tabela 4.2 – Resultados base para a escolha do sismo representativo .............................................. 30

Tabela 4.3 – Teste efectuados para estudar a influência do factor 𝝁 ................................................... 31

Tabela 4.4 – Resultados dos testes efectuados para estudar a influência do factor 𝝁 ........................ 33

Tabela 4.5 - Testes efectuados para estudar a influência do amortecimento do TMD ........................ 34

Tabela 4.6 – Resultados dos testes efectuados para estudar a influência do amortecimento do TMD35

Tabela 4.7 - Testes efectuados para estudar a influência do parâmetro 𝒒 .......................................... 36

Tabela 4.8 – Resultados dos testes efectuados para estudar a influência do parâmetro 𝒒 ................. 37

Tabela 4.9 - Testes efectuados para estudar a influência do amortecimento do oscilador .................. 39

Tabela 4.10 - Resultados dos testes efectuados para estudar a influência do amortecimento do

oscilador ......................................................................................................................................... 39

Tabela 5.1 – Resultados da análise modal da estrutura livre ............................................................... 43

Tabela 5.2 - Testes efectuados no estudo paramétrico 1 ..................................................................... 51

Tabela 5.3 - Análise das alterações aos primeiros modos de translação em X e Y geradas pela

introdução de um TMD com diferentes factores 𝝁 ......................................................................... 52

Tabela 5.4 – Esforço transverso e deslocamento relativo máximos para cada factor 𝝁 ...................... 57

Tabela 5.5 - Esforço transverso e deslocamento relativo máximos para cada factor de amortecimento

do TMD ........................................................................................................................................... 63

Tabela 5.6 – Análise comparativa geral ................................................................................................ 64

Tabela 5.7 – Variação dos deslocamentos da estrutura para uma acção sinusoidal ........................... 66

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XIV

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XV

ÍNDICE DE ABREVIATURAS

TMD Amortecedor de Massa Sintonizada (Tuned Mass Damper)

EC8 Eurocódigo 8

ÍNDICE DE VARIÁVEIS

T1 Período de vibração do edifício mais baixo

T2 Período de vibração do edifício mais alto

𝜉 Coeficiente de amortecimento

𝐸𝐶 Energia cinética

𝐸𝐷 Energia dissipada

𝐸𝑆 Energia de deformação

𝐸𝐼 Energia imposta

𝛽 Coeficiente de amplificação de deslocamentos

𝑘1 Rigidez do oscilador

𝑘2 Rigidez do TMD

𝐹0 Amplitude da acção harmónica

𝜔 Frequência angular da acção harmónica

𝑡 Tempo

𝑀1 Massa da estrutura base

𝑀2 Massa do TMD

𝜔1 Frequência angular da estrutura base

𝜔2 Frequência angular do TMD

�̅�1 Relação entre a frequência da acção e da estrutura base

�̅�2 Relação entre a frequência da acção e do TMD

𝜇 Relação entre a massa do TMD e a massa da estrutura base

𝑞 Relação entre a frequência do TMD e a frequência da estrutura base

𝑐2 Constante de proporcionalidade do TMD

𝑞ó𝑝𝑡 Relação óptima entre as frequências do TMD e da estrutura base

𝜉2ó𝑝𝑡 Amortecimento óptimo do TMD

𝑓1 Frequência de vibração do oscilador

f2 Frequência de vibração do TMD

ℎ1 Altura do oscilador

𝐸1 Módulo de elasticidade do oscilador

𝑓𝑐 Tensão de rotura do betão à compressão

𝑙𝑋 Dimensão em X do edifício

𝑙𝑦 Dimensão em Y do edifício

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XVI

𝛹2 Coeficiente da combinação quase permanente de cargas

Ux Factor de partcicipação de massa no movimento de translação em X

Uy Factor de partcicipação de massa no movimento de translação em Y

Rz Factor de partcicipação de massa no movimento de rotação em torno de Z

𝑑𝑟 Deslocamento relativo entre pisos

ℎ Altura entre pisos

𝐹 Força

𝑑 Deslocamento

V Esforço transverso

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1

1 INTRODUÇÃO

1.1 Enquadramento

A evolução da construção em altura e a concepção de estruturas cada vez mais esbeltas tem levado a

soluções cujo dimensionamento é muito condicionado pelas acções horizontais, nomeadamente a

acção sísmica. São exigidos critérios de resistência e de conforto em serviço que limitam a resposta

aceitável dos edifícios em zonas de elevado risco sísmico. De forma a responder a este desafio, têm

sido desenvolvidas, nos últimos anos, tecnologias de protecção sísmica, que pretendem conferir à

estrutura um melhor comportamento dinâmico. O TMD (do inglês Tuned Mass Damper) é um exemplo

de um dispositivo de protecção sísmica passivo. Materaliza-se por meio de uma massa acoplada à

estrutura através de molas e amortecedores e actua ao gerar forças de inércia de sentido contrário ao

movimento da estrutura induzido por uma acção dinâmica. Apesar de se ter inventado em 1909 a

primeira versão de um TMD (Den Hartog, 1940), o supressor de vibrações, que diferencia do primeiro

por não ter amortecimento, existe ainda um uso limitado deste dispositivo no projecto sísmico de

estruturas, sendo corrente o seu dimensionamento para controlar a acção dinâmica do vento,

nomeadamente de edifícios altos. Esta dissertação surgiu portanto da necessidade de se concluir sobre

a aplicabilidade do TMD no controlo da resposta sísmica, de carácter tão aleatório, de edifícios altos

em zonas de risco sísmico elevado.

1.2 Objectivos da dissertação

Nesta dissertação pretende-se realizar uma análise que demonstre a maior ou menor eficácia que o

uso de TMDs pode ter no controlo da resposta sísmica de edifícios altos. Pretende-se também efectuar

um estudo dos princípios em que o comportamento deste dispositivo se baseia, e comprová-los através

de uma análise numérica sobre um oscilador de um grau de liberdade. É também um objectivo desta

dissertação dar indicações no que diz respeito ao pré-dimensionamento de dispositivos deste tipo para

edifícios altos. Está fora do âmbito deste trabalho uma tomada de decisão sobre a aplicação deste

dispostivo ao caso de estudo real, pois essa decisão tem de ser tomada com base em comparações

com outro tipo de dispositivos e na avaliação do melhor desempenho de cada opção disponível num

conjunto de factores que vai muito para além do factor que aqui é abordado: o desempenho na redução

da resposta dinâmica da estrutura.

1.3 Metodologia do trabalho

Esta dissertação desenvolveu-se em três etapas:

1 Estudo dos fundamentos teóricos do TMD

2 Análise numérica de dois casos de estudo e estruturação da investigação

3 Análise dos resultados obtidos

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2

Na primeira etapa foi realizada uma pesquisa bibliográfica sobre a protecção sísmica de estruturas, em

especial sobre o TMD. Estudaram-se as principais características do TMD e os fundamentos que regem

o seu comportamento e os estudos de aplicabilidade deste dispostivo que foram já efectuados, em

especial sobre estruturas altas. A informação analisada foi proveniente de duas principais fontes: as

publicações académicas e as bases de dados online.

Para se validarem os conceitos estudados na etapa de pesquisa bibliográfica, efectuou-se uma análise

numérica simples com base num oscilador de um grau de liberdade, sob o qual se modelou um TMD.

Foram realizados diversos testes cujo objectivo era compreender e garantir o correcto comportamento

dos TMD no modelo computacional. Para isto, fez-se uma comparação dos parâmetros expectáveis

com os resultados obtidos. Depois de validado o modelo computacional do TMD, passou a utilizar-se

como estrutura base um modelo de um edifício alto. Foi feita uma estruturação inicial para a

investigação dos resultados com base num planeamento dos testes a realizar, com base nas

conclusões retiradas do estudo sobre um oscilador de um grau de liberdade. No entanto, à medida que

os resultados desses testes surgiram, a estruturação inicial da investigação foi sendo direccionada e

adaptada.

Na última etapa foi feita uma análise exaustiva dos resultados obtidos através dos testes realizados no

modelo computacional sobre a estrutura de um edifício alto. Analisaram-se os resultados dos dois casos

de estudo, primeiro de forma independente, e comparando os dois para que se pudessem retirar

conclusões significativas.

O TMD e as estruturas alvo de estudo foram modelados recorrendo ao programa de modelação

estrutural SAP2000 (CSI, 2010). Na análise dos resultados utilizaram-se folhas de cálculo e gráficos.

1.4 Estrutura da dissertação

A dissertação está organizada em 2 partes principais. Na primeira parte realiza-se a fundamentação

teórica para na segunda parte se apresentarem os resultados práticos obtidos.

Esta primeira parte integra os capítulos 2 e 3, onde se faz referência da importância de um adequado

dimensionamento de estruturas à acção sísmica e se introduzem os tipos de protecção sísmica

existentes, com especial foco no comportamento do TMD.

No capítulo 2 começa por se apresentar a acção sísmica, em que consiste, que consequências pode

ter nas sociedades, e que desafios traz à engenharia civil. Faz-se um breve resumo dos maiores

desastres ocorridos devido a acções deste tipo, e dá-se especial atenção à importância que a qualidade

na construção tem na minimização das consequências da ocorrência de eventos sísmicos. Estudam-

se as principais características dinâmicas dos edifícios altos, nomeadamente a resposta dos mesmos

à acção sísmica e a especial sensibilidade que apresentam por serem edifícios mais flexíveis.

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3

O capítulo 3 inicia-se com uma referência à importância da protecção sísmica das estruturas, e foca-

se no estudo do comportamento de um TMD sobre uma estrutura de um grau de liberdade. São

analisados os diversos parâmetros que condicionam esse comportamento e dadas directrizes para um

dimensionamento adequado.

A segunda parte desta dissertação integra os capítulos 4 e 5 e é uma parte mais prática, onde são

apresentados os resultados práticos do trabalho de dissertação feito com base em modelos

computacionais.

No capítulo 4 a estrutura abordada é um oscilador com apenas um grau de liberdade. São realizados

diversos estudos paramétricos e apresentadas as conclusões retiradas de cada um sobre a influência

de quatro parâmetros na eficácia do TMD, para uma acção harmónica e para uma acção sísmica.

O capítulo 5 é o capítulo onde se empregam os conceitos aprendidos nos capítulos 3 e 4 para aplicar

o TMD a uma estrutura real. Este capítulo está também organizado em estudos paramétricos onde se

pretende estudar a influência de três factores ligados ao dimensionamento do TMD na eficácia do

mesmo, com base numa acção sísmica. São apresentados os resultados obtidos em cada um dos

estudos paramétricos e feita uma análise dos mesmos.

Para terminar, o capítulo 6 ocupa-se das conclusões perspectivando-se futuras linhas de

desenvolvimento do tema.

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4

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5

2 SISMOS EM EDIFÍCIOS ALTOS

2.1 Acção sísmica

De acordo com a teoria do ressalto elástico formulada por H. F. Reid em 1910 as placas tectónicas

estão constantemente impedidas de se movimentarem umas em relação às outras pelo atrito entre

elas, acumulando energia potencial (Lopes, 2008). Quando a energia acumulada nessa zona supera a

resistência do plano da falha, gera-se um impulso súbito e as placas ressaltam elasticamente libertando

energia sob a forma de calor e de ondas elásticas. Ocorre então o fenómeno natural a que chamamos

sismo (Lopes, 2008).

A energia libertada pelo sismo propaga-se desde a zona epicentral através do meio sob a forma de

ondas de dois tipos: ondas superficiais e ondas volumétricas, consoante o seu movimento seja à

superfície ou no interior do material terrestre. A velocidade da onda sísmica depende da elasticidade e

densidade do meio na qual se propaga. A amplitude da onda sísmica não é constante - cada amplitude

de oscilação é uma fracção, quase igual à unidade, da amplitude anterior. A atenuação da amplitude

tem duas origens: atenuação geométrica, em que a amplitude diminui, pela conservação de energia,

com o inverso da distância percorrida, e atenuação inelástica, devido à dissipação de energia por efeito

do atrito interno das rochas (Lopes, 2008). Para além disso, resultados experimentais evidenciam que

as ondas de alta frequência perdem energia (sofrendo atenuação da sua amplitude) em menos tempo

ou percorrendo uma menor distância do que ondas com frequências mais baixas (Sharma, 1997).

A intensidade de um sismo sentida num local depende essencialmente de três factores: da magnitude

do sismo, da distância do local ao hipocentro e do tipo de solo no qual se propaga. Segundo (Taranath,

2005), solos mais duros transmitem melhor ondas com períodos baixos, enquanto solos menos

consolidados tendem a transmitir melhor ondas com períodos maiores. Quando um edifício vibra, o seu

movimento pode ser gravemente amplificado se o seu período fundamental coincidir com o período das

vibrações transmitidas pelo solo. Como exemplo, refere-se o sismo de 1985 no México. Apesar do

epicentro se ter localizado a várias centenas de quilómetros da capital, as destruições nesta cidade

foram muito maiores que em cidades costeiras mais próximas do epicentro. A Cidade do México está

em grande parte edificada sobre os aluviões de um antigo lago, cujo período fundamental de vibração

se aproxima do período de muitos edifícios sobre ele construídos. Caso os sedimentos contenham um

alto teor em água, pode ocorrer a liquefacção do solo, fenómeno que também causa a amplificação

das ondas sísmicas.

2.2 Registo histórico de eventos sísmicos

O sismo tem sido, ao longo da história da Humanidade, um dos desastres naturais com maiores

consequências. Por um lado, as consequências directas sobre a população e construções são

evidentes. Basta analisar eventos sísmicos passados para concluir sobre o número de mortos, feridos

e desalojados e sobre o número de colapsos ou danos graves nas construções que um fenómeno

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natural com a duração de segundos pode causar. Por outro lado, as consequências indirectas, de

carácter sócio-económico, são também de grande importância. Após um grande sismo existe

dificuldade em retomar a vida quotidiana, em repor stocks e em repor a economia. Este período varia

consoante a capacidade financeira e mentalidade da sociedade afectada. Há ainda outro tipo de

consequências não quantificáveis: a perda de património, a diminuição do turismo, o impacto no

desenvolvimento social ou mesmo o efeito psicológico negativo causado nas populações (Lopes,

2008). É um fenómeno natural que pode moldar a História de uma população.

Na Figura 2.1 pode ser observado o número total de mortes causadas por alguns dos principais

desastres naturais no perído de 1950 a 2015, bem como o número médio de mortes por ocorrência de

desastre natural no mesmo período. A informação está organizada por continentes.

Nos últimos 65 anos, a cheia foi o desastre natural responsável pelo maior número de mortes. Das

2 379 122 mortes, 96% ocorreram no continente asiático. Por outro lado, pode concluir-se pela Figura

2.1 que o sismo é o desastre natural com maiores consequências por ocorrência (uma média de 3 696

pessoas por cada sismo ocorrido). No período estudado morreram, em média, 18 533 pessoas por ano

devido à ocorrência de sismo1.

Grande parte das mortes causadas por sismo referidas anteriormente vêm de casos particulares de

sismos de intensidade muito elevada que tiveram consequências catastróficas.

Na Tabela 2.1 apresentam-se os sismos que, desde 1990, causaram mais mortes. É apresentada

informação sobre a data e localização do epicentro, bem como o número de mortes e a magnitude de

momento do sismo.

1 O número de mortes por sismo referido daqui em diante inclui aquelas causadas indirectamente por fenómenos

provocados pela ocorrência de um sismo. A título de exemplo, as 230 000 mortes que ocorreram devido ao tsunami do Oceano Índico em 2004 estão também incluídas, pois a origem do tsunami foi a de um sismo de escala 9.1 com duração aproximada de 8.3 minutos e epicentro na costa oeste da Sumatra, na Indonésia.

0.E+00 1.E+06 2.E+06

Sismos

Ondas de calor

Cheias

Incêndios

Desliz. de terras

Vulcanismo

Ventos

África América Ásia

Europa Oceania

0 1000 2000 3000

Sismos

Ondas de calor

Cheias

Incêndios

Desliz. de terras

Vulcanismo

Ventos

África América Ásia

Europa Oceania

Figura 2.1 – Mortes causadas por desastres naturais no período 1950 – 2015: nº total de mortes (esq.) e nº médio de mortes por ocorrência (dir.) (EM-DAT, 2015)

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7

Tabela 2.1 - Registo dos sismos mais mortíferos desde 1990 (USGS, 2015).

Data Localização Mw Número de mortes

2010 Port-au-Prince, Haiti 7.0 316 000

2004 Sumatra, Indonésia 9.1 227 898

2008 Sichuan, China 7.9 87 587

2005 Caxemira, Paquistão 7.6 80 361

1990 Gilan, Irão 7.4 50 000

2003 Bam, Irão 6.6 31 000

2011 Sendai, Japão 9.0 20 896

Pode concluir-se pela análise da Tabela 2.1 o que já antes se tinha mencionado: a intensidade de um

sismo não depende apenas da sua magnitude. A distância ao hipocentro, o tipo de solo, a geração ou

não de um tsunami e a qualidade da construção das infraestruturas do local afectado são exemplos de

factores que condicionam muito o nível de danos causados.

Em relação à qualidade da construção, é interessante comparar dois sismos ocorridos em 2010, com

apenas 6 semanas de diferença, um no Haiti e outro no Chile. O primeiro consta da Tabela 2.1 e é o

sismo mais mortífero desde o início do século XX, com uma magnitude de momento de 7.0. O segundo,

libertando uma energia 500 vezes superior2, provocou apenas 525 mortes. Enquanto as normas

chilenas de construção são muito exigentes quanto à resistência ao sismo, no Haiti o controlo da

qualidade da construção não tem a importância que deveria ter. Os materiais usados não são

adequados, a localização das construções é pouco regulada e os Arquitectos, Engenheiros e

Construtores envolvidos em grande parte das obras têm, em geral, qualificação inferior à que deveriam.

A construção deficiente do Haiti causou o colapso de milhares de estruturas, sendo uma das principais

causas do elevado número de mortes e deixando quase 2.3 milhões de pessoas sem casa (Nations,

2010).

2.3 Edifícios altos3 - introdução

A construção em altura tem fascinado o Homem desde o início das civilizações. Em tempos antigos, as

obras construídas serviam de homenagens ou monumentos. Deste então que a motivação por trás da

construção em altura se tem modificado, bem como os processos construtivos que facilitam a mesma.

A maioria dos edifícios altos contemporâneos são construídos com o objectivo de combater pressões

demográficas e económicas, representando e acompanhando o progresso industrial das grandes

cidades (Taranath, 2005). Dado que os efeitos das acções horizontais aumentam com a massa e área

de exposição do edifício, tendem também a aumentar com a altura do mesmo. Segundo um estudo

publicado do CTBUH Journal de 2008 (CTBUH, 2008), a média das alturas dos 100 edifícios mais altos

no Mundo aumentou de cerca de 150 metros em 1930 para 350 metros em 2010. A evolução da

construção em altura e a concepção de estruturas cada vez mais esbeltas tem levado a soluções cujo

dimensionamento é muito condicionado pelas acções horizontais (Carneiro e Martins, 2008).

As principais acções horizontais aplicadas a um edifício são o vento e a acção sísmica.

2 A energia de um sismo relaciona-se com a sua magnitude de momento pela expressão 𝐸 = 10[1.5𝑀𝑤+4.8] . 3 No presente documento, o termo edifício alto designa um edifício com mais de 20 pisos acima da superfície.

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8

1º modo (fundamental) 2º modo 3º modo

Ao contrário do vento, uma carga externa proporcional à superfície exposta de uma estrutura, as ondas

sísmicas fazem vibrar as fundações de uma estrutura, que desenvolve forças internas de inércia,

proporcionais à sua massa e à aceleração que lhe é imposta. A energia cinética associada ao

movimento da estrutura é constantemente transformada em energia potencial de deformação, até que

toda a energia é dissipada (Lopes, 2008).

2.4 Edifícios altos – resposta à acção sísmica

Segundo (Taranath, 2005), a magnitude das forças inerciais provocadas num edifício por um

movimento sísmico é condicionada não só pela aceleração do solo e natureza da fundação, como

também pela massa e características dinâmicas da estrutura. A aceleração do solo, natureza da

fundação e massa do edifício são parâmetros relativamente simples de analisar e quantificar. As

características dinâmicas da estrutura são influenciadas por um conjunto de parâmetros mais difíceis

de avaliar, como por exemplo a rigidez ou o amortecimento estrutural. No entanto, para a garantia do

bom comportamento de uma estrutura face a dado evento sísmico, este aspecto tem extrema

importância e é, muitas vezes, o mais controlado por quem elabora um projecto.

O comportamento dinâmico de uma estrutura pode ser analisado se forem conhecidos os seus modos

de vibração, que são função da massa, rigidez e amortecimento da estrutura (Taranath, 2005). Estes

modos podem ser simulados por sistemas com apenas 1 grau de liberdade com um período ou

frequência de vibração próprios.

A Figura 2.2 representa esquematicamente a configuração da deformada dos três primeiros modos de

vibração de uma estrutura corrente. Os pontos de inflexão crescem em número e a deformada torna-

se mais complexa à medida que o modo aumenta. É intuitivo que a configuração do 1º modo de

vibração é aquela que, das três, oferece menor resistência à deformação e portanto maiores

deslocamentos para a mesma acção. Por esta razão, os primeiros modos de vibração são os que mais

influenciam a resposta dinâmica de uma estrutura sujeita a um sismo (Bento, 2008).

Figura 2.2 - Representação esquemática dos três primeiros modos de vibração de um edifício corrente

O factor de participação de massa de cada modo de vibração é uma medida da percentagem de massa

oscilante da estrutura que contribui para a vibração desse modo. Geralmente, quanto maior é o factor

de participação de massa associado a determinado modo de vibração, maior é a influência desse modo

de vibração para a resposta dinâmica de uma estrutura. Segundo (Biggs, 1964), o primeiro modo de

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vibração contribui em cerca de 80% para a resposta dinâmica total da estrutura, e o segundo e terceiro

modos em 15%. A norma europeia Eurocódigo 8 (EC8 – norma portuguesa NP EN1998) enuncia dois

critérios que permitem seleccionar os modos de vibração que contribuem significativamente para o

comportamento de uma estrutura: (1) a soma das massas modais efectivas para os modos

considerados representa, pelo menos, 90 % da massa total da estrutura, (2) todos os modos com

massas modais efectivas superiores a 5 % da massa total são considerados.

Edifícios altos tendem a ser mais flexíveis do que os edifícios baixos, tendo um período fundamental

de vibração superior. Taranath (Taranath, 2005) afirma que o período fundamental de um edifício alto

pode variar entre 0.05 e 0.30 vezes o número de pisos, dependendo do sistema estrutural e materiais

escolhidos. Alguns autores defendem que considerar um período fundamental de 0.1 vezes o número

de pisos de um edifício é uma boa estimativa. Porém, segundo (Rizk, 2010), esta estimativa, por

apresentar resultados algo afastados dos verificados experimentalmente, apenas deve ser utilizada

para uma validação da concepção efectuada. A fase de dimensionamento, que exige resultados mais

rigorosos, deve ser suportada por uma análise dinâmica da estrutura concebida.

A relação entre a frequência própria de um edifício e a frequência da acção exterior é também um factor

de grande influência no comportamento dinâmico do mesmo. Como foi referido anteriormente, uma

acção sísmica é composta por um conjunto de ondas sísmicas regulares sobrespostas, com diferentes

amplitudes e frequências. O movimento sísmico não é então regular, com apenas uma frequência de

vibração, mas é caracterizado pelo conteúdo de frequências das ondas que o compõem. Se a gama

de frequências das ondas que compõem é análoga à frequência fundamental do edifício, este pode

entrar em ressonância e ser gravemente afectado ou mesmo destruído. Como se referiu anteriormente,

uma onda com frequência alta tende a perder a sua energia percorrendo distâncias pequenas. Deste

modo, uma onda que seja emitida a grande distância de um edifício apenas o alcançará com energia

considerável se tiver uma frequência baixa. Por esta razão, os edifícios mais afectados por sismos cujo

epicentro se localiza a grandes distâncias são os edifícios altos, cuja frequência de vibração é mais

baixa. Os edifícios baixos são mais sensíveis ao movimento sísmico quando se localizam a pequenas

distâncias do seu epicentro.

A Figura 2.3 representa esquematicamente o período natural de dois edifícios de diferentes alturas –

T1 é o período do edíficio mais baixo e T2 do mais alto - e uma onda sísmica com amplitude e frequência

variáveis. Se a onda for emitida afastada dos edíficios, irá provavelmente afectar o edifício mais alto

quando se aproximar dos dois, com uma amplitude já mais baixa que a inicial. Se for emitida próxima

dos edifícios, é mais provável que apenas afecte o edifício baixo, podendo também excitar os modos

de vibração superiores do edifício mais alto, com maiores frequências de vibração.

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10

A capacidade de dissipação de energia, ou amortecimento, é também um factor de grande importância

no comportamento dinâmico de uma estrutura. Como já foi referido, uma estrutura deixa de vibrar

quando toda a sua energia é dissipada, pelo que se uma estrutura for dotada de grande capacidade de

dissipação, irá estar sujeita uma vibração de menor amplitude durante um menor período de tempo.

Isto pode ser um factor condicionante na minimização das consequências da acção sísmica sobre as

estruturas. O amortecimento inerente a uma estrutura pode ter várias origens, entre as quais se

destacam:

O amortecimento viscoso interno, associado à viscosidade dos materiais constituites – quanto

mais imperfeito for o material maior será o seu nível de amortecimento. O aço é um material

naturalmente homogéneo, pelo que apresenta um coeficiente de amortecimento relativo baixo

(ξ = 0.02) O mecanismo de abertura de fendas confere ao betão um amortecimento superior.

Por esta razão, o coeficiente de amortecimento relativo utilizado para o betão armado é

usualmente ξ = 0.05. Este amortecimento é proporcional à velocidade e aumenta com a

frequência própria da estrutura (Lopes, 2008; Taranath, 2005);

O amortecimento de Coloumb que ocorre nas ligações entre elementos estruturais, que é

constante e independente da velocidade ou deslocamento (Taranath, 2005);

A amortecimento por histerese que acontece quando a carga aplicada é cíclica, isto é, com

inversão do sentido de carga, como é o caso do sismo, e quando ocorre simultaneamente a

plastificação do material. A energia dissipada transforma-se em calor. A capacidade de

dissipação de energia por histerese depende da ductilidade da estrutura em causa – quanto

maior for o deslocamento máximo num ciclo de carga, maior será a energia dissipada nesse

ciclo (Lopes, 2008);

Existem ainda equipamentos que se aplicam à estrutura com o objectivo de aumentar o amortecimento

da mesma em relação à acção sísmica. São chamados dissipadores de energia e fazem parte do

conjunto de sistemas que permitem melhorar o comportamento sísmico de uma estrutura – os Sistemas

de Protecção Sísmica.

Figura 2.3 - Representação esquemática do período natural de edifícios de diferentes alturas (Hutchinson et al. 2001)

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11

3 PROTECÇÃO SÍSMICA ATRAVÉS DO USO DE TUNED MASS

DAMPERS

3.1 Dimensionamento anti-sísmico de estruturas: estratégias

É um facto conhecido que o comportamento de uma estrutura sujeita a uma acção sísmica depende,

entre outros, da intensidade da acção sísmica e da qualidade da construção afectada. A intensidade

da acção sísmica é um parâmetro difícil de quantificar com segurança, dependendo da relação entre

vários factores locais já antes mencionados. Por essa razão, a solução ideal seria calcular com

exactidão o grau de sismicidade a que certo local está exposto. A falta de informação que possa servir

de base a esta estimativa exacta da sismicidade de um certo local leva a que a preocupação recaia

sobre a estrutura a construir (Linde, 1993). A preocupação em conferir às estruturas um comportamento

com alguma resistência a eventos sísmicos iniciou-se há séculos atrás – podemos tomar o exemplo da

reconstrução de Lisboa após o sismo de 1755, onde se incorporaram técnicas construtivas inovadoras

no campo da construção anti-sísmica, como a gaiola pombalina, que veio conferir capacidade de

dissipação de energia às estruturas (Ramos & Lourenço, 2000). A evolução histórica das normas

sísmicas no Mundo tem-se centrado principalmente na definição de segurança ao sismo, tentando

tornar este conceito mais conciso, específico e baseado no desempenho. Ao longo dos anos, porém, o

princípio de superioridade dos esforços resistentes em relação aos actuantes manteve-se central no

projecto de estruturas. Foram as diferentes interpretações dadas aos conceitos de capacidade

resistente e de acção actuante que levaram à evolução das normas sísmicas ao longo do tempo

(Dhakal, 2011).

A ocorrência incessante de eventos sismícos tem fomentado cada vez mais a procura de uma solução

integrada que confira à estrutura uma capacidade resistente superior à necessária para prevenir o

colapso desta durante um grande sismo mas evitando grandes custos adicionais quando comparada

com uma solução resistente a um sismo de maior probabilidade de ocorrência. Esta filosofia de

dimensionamento anti-sísmico utilizada nas actuais normais sísmicas assenta em dois principais

critérios: Estados Limites de Serviço e Estados Limites Últimos, que diferem nas exigências a nível das

consequências aceitáveis após a ocorrência de um evento sísmico de dada intensidade (Linde & Weng,

1994). Pressupõe a existência de capacidade de deformação plástica da estrutura suficiente para

acomodar os movimentos e a energia libertada por um sismo sem perder capacidade resistente, ou

seja, suficiente resistência e ductilidade.

Esta filosofia é a mais amplamente utilizada e está presente na maior parte das normas sísmicas

existentes. Segundo (Jangid, 2015), apesar desta filosofia dar prioridade à protecção da vida humana

por assentar num pressuposto de resistência e capacidade de deformação, leva geralmente a níveis

de aceleração que induzem danos graves em elementos não estruturais, muitas vezes com custos de

reparação superiores aos da própria estrutura. A análise de viabilidade económica de um projecto que

incorpore técnicas de melhoria do comportamento sísmico deve também incluir todos os custos

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12

associados à possível reparação de elementos estruturais e não-estruturais, bem como os benefícios

da operacionalidade pós-sismo (DIS, 2007).

Segundo (Oviedo & Duque, 2006), o equilíbrio energético de uma estrutura submetida a um evento

sísmico é dado pela equação (2.5)

onde 𝐸𝐶 é a energia cinética da estrutura, 𝐸𝐷 a energia dissipada pela estrutura, 𝐸𝑆 a energia de

deformação (elástica e plástica) e histerese do sistema e 𝐸𝐼 a energia imposta pela acção sísmica.

As várias técnicas de melhoria do desempenho sísmico das estruturas actuam ao reduzir a energia

cinética da estrutura, por forma a reduzir os deslocamentos, velocidade ou acelerações a que esta fica

sujeita. Para que o equilíbrio energético se mantenha, uma das parcelas 𝐸𝐷 ou 𝐸𝑆 (ou ambas), tem de

compensar a redução da parcela de energia cinética. A abordagem convencional abordada nos

parágrafos anteriores actua ao aumentar a ductilidade, ou seja, a energia dissipada por deformação

plástica. Restam as hipóteses de reduzir a energia induzida pelo sismo 𝐸𝐼 ou a de aumentar a

capacidade de dissipação da estrutura. Qualquer destas hipóteses pode ser alcançada através de uma

abordagem alternativa que se tem desenvolvido bastante nas últimas décadas.

Esta abordagem alternativa difere da filosofia de dimensionamento anterior por reduzir a necessidade

de capacidade de deformação de uma estrutura sujeita a um sismo, tentando garantir um adequado

comportamento da estrutura durante e após a ocorrência de um sismo. Através da alteração das

características dinâmicas da estrutura, esta abordagem actua fundamentalmente na alteração da

resposta dinâmica de uma estrutura a um evento sísmico. Esta alteração é conseguida com a

introdução de dispositivos auxiliares com funções diversas, os Sistemas de Protecção Sísmica, que

podem actuar reduzindo a energia imposta à estrutura pelo sismo (reduzir a parcela 𝐸𝐼), ou aumentando

a capacidade de dissipação de energia da estrutura (aumentando a parcela 𝐸𝐷).

3.2 Sistemas de Protecção Sísmica

Nas últimas décadas a engenharia sísmica tem sido alvo de grande desenvolvimento, não só pela

crescente exigência de desempenho das estruturas face à acção sísmica e pela revelação da falta de

segurança ao sismo de estruturas construídas ao abrigo de regulamentação anterior, como também

pelo investimento em tecnologias inovadoras que melhoram o comportamento sísmico da estrutura

sem recorrer à sua capacidade de deformação – os Sistemas de Protecção Sísmica. Estas tecnologias

vêm criar uma abordagem alternativa ao tradicional dimensionamento baseado na exploração do

comportamento dúctil de uma estrutura, e são especialmente importantes em estruturas onde esse tipo

de dimensionamento, que admite algum nível de danos estruturais, não é desejável – hospitais, pontes,

centros de emergência ou controlo e todo o tipo de edifícios de maior importância patrimonial

(Guerreiro, 2008).

𝐸𝐶 + 𝐸𝐷 + 𝐸𝑆 = 𝐸𝐼 (3.1)

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13

Os sistemas de Protecção Sísmica podem dividir-se em três tipos: activos, passivos ou semi-activos.

Os sistemas de protecção activa funcionam impondo à estrutura forças de modo a anular o efeito do

sismo. Necessitam de uma fonte de energia e utilizam dispositivos controlados por computador para

monitorizar o movimento da estrutura ao longo do tempo. São mais complexos e de custo mais elevado

que os outros tipos de protecção sísmica, mas apresentam um melhor controlo da resposta da estrutura

ao torná-lo mais independente das condições do solo e das características do sismo (Oviedo & Duque,

2006). Os contraventamentos activos, os amortecedores de massa sintonizada activos e o controlo

adaptativo são exemplos deste tipo de protecção sísmica (Guerreiro, 2011). Os sistemas de protecção

semi-activa são sistemas de protecção passiva cujas características podem ser alteradas ao longo da

duração do sismo, optimizando o comportamento da estrutura. Funcionam geralmente com baterias,

consumindo menos energia que os sistemas activos (Guerreiro & Oliveira, 2004). São exemplos de

sistemas de protecção semi-activa os TMD’s semi-activos, os sistemas de rigidez variável e os sistemas

com amortecimento variável (Guerreiro, 2011). Os sistemas de protecção passiva, ao contrário dos

outros dois grupos, não necessitam de fonte de energia, sendo activados pelo próprio movimento da

estrutura. São projectados para alterarem as características dinâmicas da estrutura ou para dissipar

grande parte da energia induzida pelo sismo. Pela sua simplicidade e comprovada eficácia são o grupo

de uso mais difundido, destacando-se o isolamento de base, os dissipadores (histeréticos, viscosos e

visco-elásticos) e o Amortecedor de Massas Sintonizadas, ou TMD (do inglês Tuned Mass Damper)

(Lopes, 2008).

Existem ainda os Sistemas de controlo híbrido, que combinam características de sistemas passivos

com activos. Em relação aos sistemas de controlo activo, reduzem as necessidades energéticas e os

custos e aumentam a segurança. Os amortecedores de atrito variável, os dissipadores de viscosidade

variável e os apoios de isolamento semi-activo são exemplos de sistemas de protecção híbrida, que

ainda se encontra em grande desenvolvimento.

O sistema de protecção sísmica estudado no

desenvolvimento desta dissertação corresponde a um

sistema de controlo passivo, o TMD, constituído por

elementos que respondem de forma inercial à acção

sísmica. Não necessita de uma fonte energética para

funcionar, manifestando a sua eficiência ao diminuir a

resposta estrutural.

A Figura 3.1 representa esquematicamente um TMD

acoplado a um edifício, com um pormenor sobre o seu

funcionamento quando o edifício é solicitado por uma

acção horizontal.

Figura 3.1 - Esquema representativo de um TMD sobre uma estrutura (Makita Corporation, 2015)

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14

3.3 TMD – fundamento teórico

O TMD é um sistema constituído por uma massa ligada à estrutura através de uma mola (ou outro meio

elástico flexível) e de amortecedor dispostos em paralelo. Surgiram da verificação analítica e

experimental da transferência de energia de um sistema principal excitado externamente a outro

sistema secundário não excitado acoplado ao primeiro. A acção de controlo é exercida pela reacção

da mola e do amortecedor (variáveis no tempo) sobre a estrutura principal em sentido contrário ao

movimento provocado pela acção externa que se quer anular (Moutinho, 1998).

Um TMD isolado apenas serve para controlar um modo de vibração da estrutura principal. Na maioria

das vezes isto serve para reduzir significativamente a amplitude das vibrações sentidas. Como já foi

referido anteriormente, segundo (Biggs, 1964), o primeiro modo de vibração contribui em cerca de 80%

para a resposta dinâmica total da estrutura. Quando a intenção é controlar simultaneamente o

contributo de modos superiores, torna-se necessária a introdução de mais que um TMD (Bachmann &

Weber, 1995)

Na Figura 3.2 está representado um modelo teórico do funcionamento de um supressor de vibrações

(Vibration Absorber) sobre uma estrutura principal sem amortecimento e com apenas um grau de

liberdade. Um supressor de vibrações, inventado por Frahm em 1909 (Den Hartog, 1940), é em tudo

idêntico ao TMD, apenas com a diferença de não ter amortecimento. Segundo (Den Hartog, 1940), se

o supressor de vibrações for sintonizado de modo a que a sua frequência seja igual à frequência da

excitação aplicada ao sistema principal, estará sujeito a uma vibração que cria na mola (𝑘2) uma força

que é, em todos os instantes, igual e contrária à vibração imposta ao sistema principal (Den Hartog,

1940). Desta forma, a força resultante no sistema principal anular-se-á, anulando também a vibração

do mesmo.

Sobre este sistema mais simples irá ser analisada a influência da variação da massa do TMD no

comportamento da estrutura principal, nomeadamente na amplitude dos deslofcamentos que esta

Figura 3.2 - Modelo teórico do funcionamento de um TMD sem amortecimento sobre uma estrutura também sem amortecimento

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15

apresenta. Para isto, irá ser analisada a variação do coeficiente de amplificação dinâmica4 𝛽 para uma

acção dinâmica sinusoidal com amplitude 𝐹0 e frequência 𝜔 actuando sobre a estrutura principal

𝐹(𝑡) = 𝐹0 ∙ 𝑠𝑒𝑛(𝜔 ∙ 𝑡) (3.2)

Na Tabela 3.1 apresentam-se os parâmetros que irão ser utilizados neste estudo inicial.

Tabela 3.1 – Definição dos parâmetros de estudo do funcionamento de um TMD sem amortecimento

Parâmetros Estrutura Base TMD

Massa 𝑀1 𝑀2

Rigidez da ligação 𝑘1 𝑘2

Frequência angular de vibração

𝜔1 = √𝑘1

𝑀1

𝜔2 = √𝑘2

𝑀2

Relação entre a frequência de excitação e a frequência própria de cada elemento

�̅�1 =𝜔

𝜔1

�̅�2 =𝜔

𝜔2

Relação entre as massas dos elementos

𝜇 =𝑀2

𝑀1

Relação entre as frequências próprias dos elementos

𝑞 =𝜔2

𝜔1

Segundo (Kelly, 1993), o coeficiente de amplificação dinâmica de um sistema sem amortecimento com

apenas um grau de liberdade excitado pela acção harmónica da equação (3.2) é dado por

𝛽 =

1

√[1 − �̅�12]2

(3.3)

Num sistema de dois graus de liberdade sem amortecimento como o representado na Figura 3.2

excitado pela acção sinusoidal da equação (3.2), o coeficiente de amplificação dinâmica do corpo

principal é dado por (Den Hartog, 1940)

Num sistema de um grau de liberdade sem amortecimento, quando a frequência de excitação iguala a

frequência própria do sistema dá-se um fenómeno de ressonância, em que as amplitudes dos

deslocamentos são significativamente aumentadas. O coeficiente de amplificação dinâmica tende para

infinito nessas frequências, chamadas frequências de ressonância (Den Hartog, 1940). O TMD vem

conferir ao sistema original um segundo grau de liberdade, e mais uma frequência de vibração. Uma

das novas frequências será ligeiramente inferior à anterior, quando o TMD e a estrutura vibram em

fase, e a segunda será ligeiramente superior, quando o TMD e a estrutura vibram em oposição de fase,

4 O coeficiente de amplificação dinâmica é uma medida da amplificação da resposta, em termos de deslocamentos, de um sistema com um grau de liberdade solicitado por uma acção dinâmica harmónica com determinada amplitude, quando comparados com os provocados por uma acção estática com força igual à amplitude da acção dinâmica.

𝛽 =

1 − �̅�22

�̅�12 ∙ �̅�2

2 − �̅�22 − (1 + 𝜇) ∙ �̅�1

2 + 1 (3.4)

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16

o que resulta na dissipação de energia. Pela análise da expressão (3.4) é possível concluir que no

sistema com dois graus de liberdade é possível anular por completo os deslocamentos na estrutura

inicial desde a frequência do TMD seja igual à frequência de excitação (�̅�2 = 1).

Na Figura 3.3 podem ver-se as curvas do coeficiente de amplificação dinâmico do sistema original em

função da relação entre a frequência de excitação e a frequência própria do sistema original. As três

curvas correspondem a uma situação sem TMD e duas situações com TMD em que se fez variar a sua

massa. Neste exemplo foi tomado um factor 𝑞 = 1, ou seja, uma frequência do TMD igual à do sistema

original.

Figura 3.3 – Variação do coeficiente de amplificação dinâmica da estrutura base com �̅�1, para as situações sem

TMD e com TMD (𝜉2 = 𝜉1 = 0, 𝑞 = 1, 𝜇 = 0.05 e 𝜇 = 0.2)

Pode observar-se que um aumento da massa do TMD provoca um afastamento entre as duas novas

frequências de vibração do sistema. O ideal seria então dotar o TMD de massa suficiente para que as

novas frequências de vibração ficassem fora da gama de frequências mais comum na acção sísmica,

de modo a evitar situações de ressonância. No entanto, esta solução não é viável por várias razões.

Por um lado, a verificação dos Estados Limites de Serviço limita os valores aceitáveis de deformação

das lajes que apoiam o TMD, limitando a sua flecha máxima, pelo que um aumento excessivo da sua

massa pode impedir que essa verificação seja cumprida. Por outro lado, se a massa do TMD aumenta,

para que a sua frequência se mantenha, é necessário aumentar também a rigidez da ligação do TMD

à estrutura base. Um aumento demasiado grande da massa do TMD pode implicar que a ligação fique

rígida, o que anularia o efeito do TMD, tornando-o apenas uma massa concentrada ligada à estrutura

principal, não produzindo o efeito de dissipador de energia (Antunes, 2006).

Para analisar a influência dos restantes parâmetros do TMD – o coeficiente de amortecimento e a

rigidez da mola – no movimento sísmico da estrutura principal, serão usados dois sistemas idênticos

ao anterior mas o primeiro com amortecimento na ligação da estrutura principal ao TMD e o segundo

também com amortecimento na estrutura principal. O primeiro destes sistemas encontra-se

representado na Figura 3.4.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

𝛽

ω1

Sem TMD μ = 0.05 μ = 0.2

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17

Figura 3.4 - Modelo teórico do funcionamento de um TMD com amortecimento sobre uma estrutura sem amortecimento

Segundo (Den Hartog, 1940), num sistema como o representado na Figura 3.4 excitado pela acção

sinusoidal da equação (3.2), o coeficiente de amplificação dinâmica da estrutura principal é dado por

onde ξ2 =𝑐2

2√𝑘2∙𝑀2 é o coeficiente de amortecimento do TMD, sendo 𝑐2 a constante de proporcionalidade

do amortecedor, com unidades de massa por unidade de tempo.

A Figura 3.5 representa a variação do coeficiente de amplitude dinâmica com a relação entre a

frequência de excitação e a frequência própria do sistema original num sistema com 𝑞 = 1 e μ =

0.2, para várias situações de amortecimento do TMD.

Figura 3.5 - Variação do coeficiente de amplificação dinâmica da estrutura base com �̅�1 num sistema com TMD

tomando q=1, 𝜇=0.2 e fazendo variar o amortecimento do TMD (𝜉2 = 0.1, 𝜉2 = 0.15 e 𝜉2 = 0.2)

Pela análise da Figura 3.5 pode verificar-se que:

Para um amortecimento nulo no TMD (𝜉2 = 0), a amplitude da resposta dinâmica é igual à

representada na Figura 3.3 para a situação em que 𝜇 = 0.2, com frequências de ressonância

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

β

ω1

ξ2=0 ξ2=0.1 ξ2=0.15 ξ2=∞

𝛽 = √(2 ∙ 𝜉2 ∙ �̅�1 ∙ 𝑞)2 + (�̅�1

2 − 𝑞2)2

{𝜔̅̅̅̅14 − �̅�1

2 ∙ [1 + (1 + 𝜇) ∙ 𝑞2] + 𝑞2}2 + (2 ∙ 𝜉2 ∙ �̅�1 ∙ 𝑞)2 ∙ [1 − �̅�12 ∙ (1 + 𝜇)]2

(3.5)

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de 0.8 ∙ 𝜔1 e 1.25 ∙ 𝜔1. Quando o amortecimento do TMD tende para infinito (𝜉2 = ∞), as duas

massas vibram em conjunto e temos um sistema de um só grau de liberdade com massa 6/5 ∙

𝑀1 e frequência de ressonância de 0.91 ∙ 𝜔1 (para o caso específico abordado na Figura 3.5

em que μ = 0.2) (Den Hartog, 1940); a explicação física para isto é dada por (Den Hartog, 1940)

- o trabalho realizado por uma força de amortecimento é igual ao produto dessa força5 pelo

deslocamento associado ao amortecimento. No caso da Figura 3.4, esse deslocamento é dado

pelo deslocamento relativo entre as duas massas, igual à variação de comprimento do

amortecedor. Quando o coeficiente de amortecimento é nulo, a força no amortecedor é nula e,

por isso, o trabalho realizado por ela também o é. Quando o amortecimento tende para infinito,

as duas massas ficam ligadas de tal modo que não existe deslocamento relativo entre elas – o

trabalho realizado pelo amortecedor é também nulo nesta situação. Nestas duas situações, a

amplitude de ressonância tende para infinito. Existe uma situação de amortecimento entre 𝜉2 =

0 e 𝜉2 = ∞ em que o produto entre a força do amortecedor e o deslocamento relativo entre as

massas se torna máximo, sendo a amplitude de ressonância a mínima;

Um amortecimento intermédio introduz no sistema dois máximos de amplitude

correspondentes às frequências de ressonância e um mínimo entre eles, não sendo possível

anular completamente as oscilações da estrutura principal, mas reduzindo significativamente

as frequências de ressonância;

Estes picos localizam-se tanto mais próximos das frequências de ressonância do sistema

anterior sem amortecimento quanto menor for o coeficiente de amortecimento do TMD;

Um maior coeficiente de amortecimento do TMD conduz a menores amplitudes nos pontos de

máximo e maior amplitude no ponto mínimo, ou seja, um menor desnível entre os pontos de

maior e menor amplitude;

Todas as curvas associadas a diferentes coeficientes de amortecimento se intersectam em

dois pontos fixos.

Foi explicado anteriormente que existe uma situação de amortecimento entre 𝜉2 = 0 e 𝜉2 = ∞, para

uma dada combinação de 𝑞 e 𝜇, em que o trabalho realizado pelo amortecedor é máximo e a amplitude

de ressonância mínima. Segundo (Den Hartog, 1940), se todas as curvas de amplificação dinâmica

passam por dois pontos fixos, independemente do amortecimento do TMD, então a maior atenuação

da resposta dinâmica do sistema principal corresponde a uma solução cuja curva de amplificação

dinâmica passa no ponto de maior ordenada com uma tangente horizontal. Basta que se conhecam as

localizações dos dois pontos, para certa combinação de 𝑞 e 𝜇, para ser calculado o “amortecimento

óptimo”, que gera a melhor (menor) “amplitude de ressonância”.

É preciso ter em atenção que um TMD apenas é eficaz até um certo valor de amortecimento conferido

ao movimento relativo entre o TMD e o sistema principal. Valores de amortecimento superiores a certo

limite tendem a suprimir o grau de liberdade adicional que o TMD introduz na estrutura sob a qual actua,

tornando-o apenas uma massa agarrada à estrutura. Um problema do mesmo tipo foi já abordado

5 A força desenvolvida num amortecedor é dada por 𝐹 = 𝑐 ∙ 𝑣, sendo 𝑐 o coeficiente de amortecimento e 𝑣 a

velocidade relativa das suas extremidades.

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19

anteriormente, quando uma massa demasiado grande do TMD obrigada a uma ligação rígida à

estrutura principal, anulando igualmente o seu efeito.

Den Hartog (Den Hartog, 1940) defende que é possível tornar a função de amplitude ainda mais

optimizada. Alterando o parâmetro 𝑞 (razão entre as frequências próprias do sistema principal e do

TMD), é possível primeiro nivelar os dois pontos e segundo fazer com que a curva de amplitude

dinâmica passe horizontalmente sobre um deles.

A combinação de parâmetros 𝜉2 e 𝑞 é dada pelas equações (3.6) e (3.7)

A Figura 3.6 mostra a variação do coeficiente de amplificação dinâmica com o parâmetro 𝑞 para um

caso onde foi tomado um valor de 𝜇 = 0.25 e calculados os respectivos parâmetros óptimos, 𝜉2ó𝑝𝑡 =

0.219 e 𝑞ó𝑝𝑡 = 0.8.

Figura 3.6 - Variação do coeficiente de amplificação dinâmica da estrutura base com �̅�1 num sistema com TMD

tomando 𝜇=0.25, 𝜉2=0.219 e fazendo variar o parâmetro q (𝑞 = 0.7, 𝑞ó𝑝𝑡=0.8 e 𝑞 = 0.9)

Pode ver-se que para um parâmetro 𝑞ó𝑝𝑡 = 0.8 os dois picos de amplitude máxima estão nivelados, o

que não acontece quando se faz variar o parâmetro 𝑞. Para um valor optimizado desse parâmetro, a

amplitude máxima aumenta e a mínima diminui, relativamente a outros valores. Para um valor de 𝑞

abaixo do óptimo, a amplitude máxima dá-se na 2ª frequência de ressonância e para um valor de 𝑞

acima do óptimo a 1ª frequência de ressonância é a mais amplificada.

A definição do parâmetro 𝑞 =𝜔2

𝜔1 vai condicionar a rigidez do meio elástico que liga o TMD à estrutura,

através da expressão 𝑘2 = 𝜔22 ∙ 𝑀2.

A Figura 3.7 mostra um modelo teórico do funcionamento de um TMD com amortecimento sobre uma

estrutura principal com apenas um grau de liberdade também amortecida.

0

1

2

3

4

5

6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

𝛽

ω1

q = 0.7 q = 0.8 q = 0.9

𝑞ó𝑝𝑡 =1

1 + 𝜇 (3.6)

𝜉2ó𝑝𝑡 = √3𝜇

8(1 + 𝜇)3 (3.7)

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20

Figura 3.7 - Modelo teórico do funcionamento de um TMD com amortecimento sobre uma estrutura sem amortecimento

Os parâmetros óptimos do TMD que constam das equações (3.6) e (3.7) foram derivados para a

situação em que apenas o TMD tem amortecimento. Para analisar a aplicabilidade destas equações

no cálculo dos parâmetros óptimos do TMD numa estrutura também com amortecimento, Bachmann e

Weber (1995) estudaram a amplificação dinâmica de um sistema principal com ξ1 = 0.01 sob o qual se

inseria um TMD com 𝑀1 = 1/100 ∙ 𝑀2 (𝜇 = 0.01), para várias combinações de 𝑞 e ξ2. Foi concluído que

a escolha de uma correcta frequência de vibração do TMD (em relação à frequência do sistema

principal) tem uma importância significativamente maior na redução da resposta que a escolha do

amortecimento do TMD. Na Figura 3.8 encontra-se representado o valor mínimo de amplificação

dinâmica para essas condições, bem como várias curvas de amplificação dinâmica em função desses

dois parâmetros.

Figura 3.8 – Curvas de amplificação dinâmica em função de 𝑞 e de 𝜉2, adaptado de (Bachmann and Weber,

1995)

Nestas condições, a menor amplificação dinâmica da resposta é de 𝛽 = 11.6, para os parâmetros 𝑞 =

0.99 e ξ2 = 0.06. Para obter uma amplificação dinâmica de 𝛽 = 15, os mesmos parâmetros podem

variar entre 𝑞 = 0.96 − 1.02 (uma variação de ±3%) e ξ2 = 0.03 − 0.11 (entre −50% e +83% do valor

óptimo). Pode concluir-se com facilidade que a redução da resposta dinâmica do sistema principal é

relativamente independente do amortecimento do TMD e muito mais sensível à frequência conferida

ao mesmo.

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Os mesmos autores estudaram então a influência da percentagem de amortecimento da estrutura

principal na frequência óptima do TMD, em função da relação entre as duas massas. Os resultados

obtidos apresentam-se na Figura 3.9.

Figura 3.9 - Curvas do parâmetro q óptimo em função do parâmetro μ, para diferentes coeficientes de

amortecimento da estrutura principal (𝜉1 = 0%, 𝜉1 = 1%, 𝜉1 = 2% e 𝜉1 = 5%), adaptado de (Bachmann and Weber, 1995)

A curva de ξ1 = 0% corresponde à definição de 𝑞ó𝑝𝑡 de Den Hartog, dada pela equação (2.3). Para um

amortecimento estrutural não nulo, a frequência óptima do TMD torna-se ligeiramente inferior, tanto

mais quanto maior foi o rácio entre as massas do TMD e da estrutura principal. Bachmann e Weber

(1995) afirmam que, para estruturas com baixo amortecimento, os parâmetros óptimos do TMD

deduzidos por Den Hartog para um sistema sem amortecimento estrutural são suficientemente

próximos dos exactos para uma aplicação prática.

3.4 Adaptações do modelo teórico

Acção sísmica

No subcapítulo 3.3, para simular o efeito de um TMD sobre uma estrutura de um grau de liberdade, foi

utilizada uma acção sinusoidal sobre a estrutura principal. Na realidade, um sismo não é uma acção

caracterizada por uma função harmónica, mas sim um conjunto de ondas periódicas que podem ser

decompostas pela análise de Fourier em várias funções sinusoidais. Deste modo, é habitualmente

utilizado um espectro de amplitude para caracterizar uma acção sísmica a actuar em determinado local.

Através do espectro, pode determinar-se se essa acção sísmica é mais rica em baixas ou altas

frequências, e consequentemente se a estrutura em questão tem maior ou menor probabilidade de

vibrar em ressonância (Lopes, 2008).

Como se viu anteriormente, um TMD sobre uma estrutura com amortecimento deve ser dimensionado

para uma frequência de vibração semelhante à frequência de vibração quer se quer anular na estrutura.

Deste modo, o facto de a estrutura ser excitada por uma acção sísmica em que é impossível determinar

previamente uma frequência de vibração, não afecta a definição dos parâmetros do TMD. A diferença

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reside apenas no facto de a estrutura ter múltiplas frequências de vibração, sendo que o TMD apenas

é sintonizado para anular uma.

Graus de liberdade

As demonstrações efectuadas no subcapítulo 3.3 baseiam-se numa estrutura com apenas um grau de

liberdade à qual se adiciona uma outra massa, o TMD, formando um sistema de dois graus de liberdade.

No entanto, as estruturas reais não possuem apenas um grau de liberdade e um modo de vibração.

Pelo contrário, a maioria das estruturas tem inúmeros graus de liberdade e, consequentemente,

inúmeros modos de vibração que irão influenciar a resposta dinâmica da estrutura. De todos os modos

de vibração, é possível escolher e analisar aqueles que mais influenciam essa resposta, para melhor

se decidir sobre as propriedades do TMD a colocar.

Geralmente um TMD é sintonizado para anular as vibrações do primeiro modo de vibração, dado que

é este o que tem maior participação na resposta dinâmica da estrutura. Se o objectivo for controlar mais

do que um modo de vibração, torna-se necessário recorrer a mais que um TMD, visto que cada TMD

possui apenas um grau de liberdade que é sintonizado com um movimento que se pretende anular na

estrutura principal (Bachmann & Weber, 1995). Cada modo de vibração pode ser adaptado a um

sistema de um grau de liberdade com massa, rigidez e amortecimento

3.5 Processo de dimensionamento

Tendo em conta as considerações descritas anteriormente, é proposta uma sequência de etapas para

o dimensionamento de um TMD.

1. Efectuar uma análise modal da estrutura.

Desta análise podem identificar-se os modos de vibração mais desfavoráveis à resposta dinâmica da

estrutura. É importante efectuar um registo das frequências próprias e factor de participação de massa

de cada modo, para melhor decidir sobre quais os modos a anular, da configuração de cada modo,

para se avaliar quais os pontos sujeitos a maiores deslocamentos, e da rigidez e amortecimento modal

de cada modo.

2. Escolher a massa do TMD.

A massa do TMD é escolhida como uma percentagem da massa oscilante do modo de vibração que

se pretende amortecer. Segundo (Bachmann & Weber, 1995), quanto maior for a massa do TMD em

relação à massa estrutural, maior é a atenuação da resposta da estrutura. No entanto, um excessivo

aumento de massa não é aconselhável. Segundo os autores, a massa do TMD deve ter até 2% da

massa oscilante do modo de vibração que se pretende anular.

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23

3. Determinar a frequência e amortecimento do TMD.

A frequência do TMD pode ser determinada pela expressão (3.6), que nos dá a frequência óptima do

TMD sobre um sistema sem amortecimento, quando o amortecimento estrutural é quase nulo, ou pela

consulta da Figura 3.9, quando o valor de amortecimento estrutural é mais elevado. É de extrema

importância que a frequência do modo de vibração que se pretende atenuar seja correctamente

determinada, de forma a que o TMD consiga contrariar efectivamente o movimento associado a esse

modo, vibrando em exacta oposição de fase com a estrutura. O amortecimento do TMD, como

comprovado na análise da Figura 3.8, é um parâmetro com menor influência na resposta da estrutura.

Deste modo, pode ser usada a expressão do amortecimento óptimo do TMD sobre uma estrutura sem

amortecimento. Segundo (Antunes, 2006), deve ainda ser efectuado um ajuste iterativo destes dois

parâmetros com base num gráfico em que se faz variar o coeficiente de amplificação dinâmica βcom

o parâmetro �̅�1, para os parâmetros de massa e amortecimento do TMD determinados anteriormente.

4. Calcular a rigidez da ligação do TMD à estrutura.

Determinado o parâmetro 𝑞, é possível deduzir a frequência do TMD e a rigidez da ligação do TMD à

estrutura, usando as expressões da Tabela 3.1.

3.6 TMDs e edifícios altos

Estudos realizados

Depois da invenção do supressor de vibrações em 1909 por Frahm (Den Hartog, 1940), Ormondroyd e

Den Hartog (Ormondroyd & Den Hartog, 1928) estudaram o uso de amortecimento no supressor,

concluindo que este melhorava o funcionamento do supressor de vibrações, ao reduzir a sua

sensibilidade à mudança de frequência de acção externa aplicada e, assim, aumentar a redução de

vibração numa situação de ressonância ou perto de ressonância. Den Hartog (Den Hartog, 1940)

acabou por concluir as expressões (3.6) e (3.7) descritas acima que definem os parâmetros óptimos do

TMD aplicado a um oscilador de um grau de liberdade. Depois disto, foram realizados estudos onde se

considerou amortecimento tanto no supressor como no sistema principal. Destes destacam-se os

trabalhos de (Bishop and Welbourn, 1952; Falcon et al., 1967; Ioi and Ikeda, 1978) (Majcher & Wójcicki,

2014).

Um dos estudos mais antigos da influência do uso de um TMD sobre edifícios altos foi o documento

publicado por McNamara em 1977 (McNamara, 1997). No entanto, neste estudo, os edifícios altos eram

simplificadamente representados por osciladores de um grau de liberdade, e a acção imposta foi a

acção do vento. Vários autores têm estudado, desde então, a aplicabilidade de TMDs no controlo da

resposta dinâmica de estruturas altas. Ahmed publicou, em 2012 (Farghaly, 2012), os resultados de

um estudo numérico efectuado da influência do TMD no controlo de uma estrutura simétrica de 20 pisos

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sob a acção do sismo El Centro. Concluiu-se que o TMD era eficaz no controlo da resposta da estrutura,

sendo benéfica uma distribuição, tanto em altura como em planta, da massa utilizada. Tuan e Shang

realizaram um estudo sobre a aplicabilidade do TMD à estrutura do edifício Taipei 101, sob a acção do

vento e de um conjunto de sismos afastados (Tuan & Shang, 2014). Neste estudo foi possível concluir

que este dispositivo é mais benéfico no controlo da resposta de estruturas altas à acção do vento do

que à acção sísmica.

Aplicações existentes

Os avanços da contrução em altura têm frequentemente sido acompanhados por acréscimos de

flexibilidade que tornam estruturas altas cada vez mais vulneráveis a acções horizontais (Kareem et al.

1999). Apesar da acção do vento ser, em geral, a acção mais condicionante para o dimensionamento

de edifícios altos sob o efeito de acções horizontais, a acção sísmica pode gerar forças de corte basais

superiores às da acção do vento (Tuan & Shang, 2014). Enquanto o critério de resistência última, que

exige um adequado encaminhamento de cargas, não traz um acréscimo de dificuldade, o critério de

bom comportamento em serviço torna-se um desafio no projecto de edifícios altos sujeitos a vibrações

induzidas por acções horizontais.

O amortecimento inerente a uma estrutura é, em geral, insuficiente para garantir um comportamento

dinâmico adequado aos requisitos de resistência e conforto de uma estrutura alta (Tuan & Shang,

2014). Um edifício alto sem uma adequada quantidade de amortecimento sujeito a uma acção

horizontal intensa pode sofrer danos graves em elementos não-estruturais e ficar sujeito a acelerações

que causam níveis altos de desconforto perceptíveis aos ocupantes do edifício. O uso de um TMD

permite adicionar amortecimento a uma estrutura de maneira mais previsível, adaptável e fiável,

melhorando o seu comportamento dinâmico. No ano de 1999, o TMD era o dispositivo de

amortecimento secundário mais utilizado no Mundo (Kareem et al., 1999).

Um dos primeiros edifícios a incorporar um foi o John Hancock Tower em Boston, com uma altura de

244 metros, construído em 1977. Incopora dois TMDs de 300 toneladas cada instalados nos dois

extremos do 58º piso. A Figura 3.10 mostra um dos TMDs instalados.

Figura 3.10 – TMD instalado no edíficio John Hancock Tower (LeMessurier, 2015)

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Cada TMD é constituído por uma caixa de aço cheia de chumbo colocada sobre uma placa de aço

lubrificada, de modo a que a massa consiga deslizar com facilidade. Esta caixa está ligada à estrutura

metálica do edifício através de molas e amortecedores horizontais. Foram colocadas duas caixas, uma

em cada extremo do piso 58, de modo a controlar o movimento de torção do edifício (Campbell, 2015).

Ao existir um movimento de torção, pontos opostos em planta deslocam-se com direcções também

opostas, sendo necessários dois TMDs com movimentos também opostos para controlar de forma

eficaz o movimento dos dois extremos, e assim o movimento de torção do edifício.

O Citigroup Center em Nova Iorque, com 278 metros de altura, construído em 1978 é outro edifício que

conta com um TMD de 410 toneladas instalado no 63º piso.

Um exemplo mais recente de aplicação de TMD é o edifício Taipei 101, concluído em 2004 na ilha de

Taiwan, com 449 metros de altura, um dos edifícios mais altos do Mundo. Este edifício conta com o

maior TMD do mundo, uma esfera de aço com 6 metros de diâmetro e 660 toneladas, que se suspende

desde o 91º piso até ao 87º piso, onde é apoiada por um conjunto de molas e amortecedores que

controlam o seu movimento. Este dispositivo está sintonizado para controlar simultaneamente dois

modos de vibração. Como o edifício é simétrico, os dois primeiros modos de vibração são idênticos,

um em X e outro em Y. Por esta razão, o TMD pode ser simplificadamente representado por duas molas

horizontais ortogonais, ligadas à mesma massa. Segundo (Tuan & Shang, 2014), devido à

ortogonalidade dos dois modos de vibração, a interacção entre a estrutura e o TMD pode assumir-se

independente em X e em Y, como se de dois TMDs se tratassem. A Figura 3.11 mostra o edifício Taipei

101 com a localização do TMD e um pormenor do mesmo.

Figura 3.11 – Edifício Taipei 101 (dir.), localização do TMD (centro) e pormenor do TMD (dir.). Adaptado de (Wikipedia, 2015; Hernández, 2015)

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4 ESTUDO PRELIMINAR

4.1 Introdução

No subcapítulo 3.3 foi descrita uma formulação teórica que serve de fundamento ao comportamento de

um TMD e da estrutura à qual o TMD se aplica. Para melhor se compreender o efeito deste dispositivo

sobre uma estrutura, o fundamento teórico apresentado é complementado por uma análise numérica

efectuada com base no programa de modelação estrutural SAP2000. Nesta análise numérica

preliminar, em que apenas se pretendia estudar de forma simplificada a influência dos diversos

parâmetros do TMD sobre o comportamento da estrutura sujeita a acções dinâmicas, utilizou-se uma

estrutura base com apenas um grau de liberdade, sobre a qual se modelou um TMD. As conclusões

tiradas desta análise numérica servem simultaneamente de demonstração da aplicabilidade do

fundamento teórico apresentado anteriormente e de base para o estudo do caso real da aplicação de

um TMD no controlo da reposta sísmica de um edifício alto.

4.2 Modelo base

Para um estudo preliminar simples, considerou-se uma estrutura base com apenas um grau de

liberdade. Como explicado anteriormente, o TMD é sintonizado para anular a resposta de um modo de

vibração de uma estrutura, e cada modo de vibração pode ser simulado por um sistema com um grau

de liberdade com as características dinâmicas do correspondente modo (massa, frequência e

amortecimento). Sobre esta estrutura com um grau de liberdade foi acoplada uma estrutura

semelhante, também com apenas um grau de liberdade, cujas características dinâmicas foram

ajustadas com base numa análise do comportamento dinâmico da estrutura principal e por forma a

minimizar ou mesmo anular a resposta dinâmica desta.

A estrutura base, um oscilador6 de um grau de liberdade, foi modelada no programa SAP2000 como

um elemento do tipo frame sem peso próprio orientado segundo a direcção Z (encastrado num dos

extremos e livre no outro) e por uma massa concentrada, orientada segundo a direcção X, localizada

no extremo livre desse elemento. Num oscilador de um grau de liberdade, a frequência de vibração é

dada por

onde 𝑘 é a rigidez à flexão do oscilador, dada por 𝑘 =3𝐸𝐼

𝐿3 . A Tabela 4.1 mostra as propriedades do

oscilador de um grau de liberdade utilizado neste estudo.

6 No presente capítulo, o termo oscilador é utilizado não só para mencionar uma estrutura com apenas um grau de liberdade, como também para designar, nas etapas seguintes, esse mesmo elemento (que deixa de ser um oscilador com um grau de liberdade) sob o qual é modelado o TMD.

𝑓 =1

2𝜋√

𝑘

𝑀 (4.1)

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28

Tabela 4.1 - Propriedades do oscilador de 1 grau de liberdade utilizado no estudo preliminar

Geometria da secção 𝟎. 𝟓 × 𝟎. 𝟓 𝒎

Altura, 𝐡𝟏 5 𝑚

Módulo de Elasticidade, 𝐄𝟏 40 𝑀𝑃𝑎

Massa, 𝐌𝟏 126.65 𝑡𝑜𝑛

Rigidez, 𝐤 = 𝐤𝐱 = 𝐤𝐲 5000 𝐾𝑁/𝑚

Frequência, 𝒇𝟏 1 𝐻𝑧

4.3 Aplicação do TMD

Sobre o oscilador modelou-se um TMD, constituído igualmente por um elemento frame sem peso

próprio orientado segundo a direcção Z, ligado por continuidade ao extremo livre do oscilador e com

uma massa concentrada no outro extremo, estando este livre.

Como explicado anteriormente, o TMD vem conferir ao oscilador um segundo grau de liberdade e um

segundo modo de vibração. As deformadas dos dois modos de vibração desta estrutura com dois graus

de liberdade encontram-se representadas qualitativamente na Figura 4.1.

Figura 4.1 - Deformadas dos modos de vibração de uma estrutura com dois graus de liberdade

O 1º modo, de frequência de vibração mais baixa, é aquele em que as duas massas vibram em fase,

enquanto no 2º modo de vibração, de frequência mais alta, as duas massas vibram em oposição de

fase. Estes dois modos de vibração combinam-se de modo que a transferência de energia do oscilador

para o TMD se maximize, minimizando a resposta do oscilador. A resposta da estrutura será então

equivalente a uma combinação da deformada do 1º modo representada (qualitativamente) na Figura

4.1 com a da deformada do 2º modo representada (qualitativamente) na mesma figura, de modo a que

o oscilador apresente a menor deformação possível.

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29

4.4 Acções impostas

Ao contrário da abordagem tradicional da análise sísmica com base numa acção definida por um

espectro de resposta, no estudo efectuado foram utilizadas acções no domínio do tempo. Apesar do

comportamento do TMD ser linear, o movimento deste é (na maioria das vezes) controlado por

amortecedores, cujo comportamento é não linear, só podendo ser correctamente simulados se o seu

comportamento ao longo do tempo for conhecido.

Os conjuntos de acelerações fictícias gerados, os acelerogramas, são coerentes com o espectro de

resposta elástico da zona de Lisboa para um sismo tipo 2 (próximo), um solo tipo B e um coeficiente

de amortecimento de 5% (CEN, 2004). A avaliação da resposta sísmica, através de análises não

lineares no domínio do tempo, pode ser determinada através da média dos resultados obtidos se forem

utilizados pelo menos sete acelerogramas distintos (Lopes, 2008). No estudo em questão, foram

utilizados 10 acelerogramas distintos.

Cada acelerograma é definido individualmente nas duas direcções horizontais, como um caso de

análise de representação temporal (Time History), possibilitando a realização de uma análise dinâmica

não-linear. O tempo de integração dos acelerogramas escolhidos é de 40 segundos, com 4000 pontos

em intervalos de 0.01 segundos. Os acelerogramas utilizados encontram-se representados no ANEXO

1 – ACELEROGRAMAS UTILIZADOS.

Para uma análise mais expedita do efeito da acção sísmica sobre a estrutura, foi criada uma

combinação de acções (load combination) que reproduz o efeito médio dos 10 sismos. Esta

combinação é uma soma dos valores absolutos dos máximos da resposta da estrutura a cada sismo,

cada um dividido por 10, de forma a que o resultado seja uma média dos resultados máximos absolutos

que os 10 sismos induzem na estrutura. Esta combinação foi validada ao se fazer um cálculo da média

dos resultados máximos em valor absoluto dos deslocamentos no topo do oscilador e ao se comparar

esse resultado com um resultado único dado pela combinação de acções. O erro foi nulo, revelando

assim a aptidão e vantagem da combinação de acções para esta análise.

Nas situações em que era necessário avaliar determinados parâmetros no domínio do tempo, analisou-

se apenas o sismo mais representativo. Apesar dos resultados poderem diferir de sismo para sismo,

no âmbito deste trabalho não se pretende uma análise exaustiva da resposta de uma estrutura no

tempo mas sim uma avaliação dos efeitos máximos dessa resposta para um conjunto de acções

sísmicas, pelo que se considerou pertinente apenas serem apresentadas informações no domínio do

tempo para esse sismo. O sismo escolhido foi aquele que se apresentou mais perto da média, com

base em deslocamentos e esforço transverso provocados no oscilador e no TMD. A informação que

serve de base a essa escolha encontra-se resumida na Tabela 4.2.

Por ser o sismo que causa esforços e deslocamentos no oscilador e no TMD mais próximos da média

dos 10 sismos, o sismo 5 é considerado o sismo representativo.

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30

Tabela 4.2 – Resultados base para a escolha do sismo representativo

Variação em relação à média

Sismo Trasnverso

(kN) Deslocamento

(m) Transverso

(kN) Deslocamento

(m) O

scilad

or

1 764.0 0.153 35% 35%

2 590.1 0.117 4% 4%

3 648.5 0.131 14% 16%

4 631.6 0.125 11% 10%

5 566.6 0.112 0% -1%

6 453.0 0.090 -20% -21%

7 414.5 0.083 -27% -26%

8 528.8 0.106 -7% -7%

9 299.8 0.060 -47% -47%

10 776.2 0.155 37% 37%

TM

D

1 77.9 1.573 43% 43%

2 60.2 1.189 10% 8%

3 62.0 1.320 14% 20%

4 58.2 1.120 7% 2%

5 57.7 1.183 6% 8%

6 41.3 0.805 -24% -27%

7 49.7 0.969 -9% -12%

8 49.3 1.013 -10% -8%

9 26.4 0.531 -52% -52%

10 63.7 1.281 17% 17%

Média oscilador 567.3 0.113

Média TMD 54.6 1.098

Para além da acção dada pela combinação dos 10 acelerogramas, analisou-se também a resposta da

estrutura a uma acção sinusoidal. O fundamento teórico descrito no subcapítulo 3.3 tem por base uma

acção harmónica, sendo por isso importante submeter numericamente a estrutura a uma acção desse

tipo de forma a poder validar o descrito. As acções sinusoidais, relativamente aos acelerogramas,

apresentam a vantagem de ter uma frequência constante que pode ser relacionada com a frequência

de vibração do oscilador com o objectivo de melhor se evidenciar o efeito da ressonância das estruturas

no comportamento do TMD.

4.5 Resultados

O estudo efectuado aqui apresentado está dividido em quatro partes, cada uma incidindo sobre a

influência de um dos quatro parâmetros que mais influenciam o comportamento do TMD – a massa,

frequência de vibração e amortecimento do TMD e o amortecimento do oscilador. Em cada parte são

efectuados testes em que se faz variar o parâmetro em estudo, e comparados e analisados os

resultados obtidos. Como referido anteriormente, são sempre efecutadas duas análises com acções

diferentes, uma acção sinusoidal e uma acção sísmica, e comparados os resultados obtidos com cada

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31

uma. As propriedades do oscilador constam da Tabela 4.1, com amortecimento nulo (no oscilador) em

todos os testes à excepção daqueles em que se testa a influência desse parâmetro (parte 4).

Como medida de avaliação do efeito do TMD estudou-se a variação do deslocamento do topo do

oscilador, para cada situação. Os esforços do oscilador não foram avaliados por não se considerarem

relevantes para um estudo preliminar cujo objectivo é apenas de mostrar a eficiência do TMD no

controlo da resposta sísmica da estrutura.

Percentagem de massa do TMD, 𝜇

Nesta parte do estudo efectuaram-se 8 testes para a acção sinusoidal e 9 testes para a acção sísmica

onde se fez variar apenas a massa do TMD de modo a que o factor 𝜇 =𝑀2

𝑀1 tomasse diferentes valores.

Foi utilizada uma acção sinusoidal com frequência igual à frequência própria do oscilador, 𝑓 = 1 𝐻𝑧. A

Tabela 4.3 apresenta uma descrição dos parâmetros utilizados nos testes 1 a 17.

Tabela 4.3 – Teste efectuados para estudar a influência do factor 𝜇

Acção sinusoidal, 𝒇 = 𝟏 𝑯𝒛

Teste 𝜇 (%) Massa

TMD (ton)

Rigidez TMD

(kN/m)

Frequência TMD (Hz)

Factor de amortecimento

TMD (%)

Factor de amortecimento oscilador (%)

1 - 0 - - - 0

2 0.5% 0.63325 25 1 0 0

3 1% 1.2665 50 1 0 0

4 5% 6.3325 250 1 0 0

5 10% 12.665 500 1 0 0

6 20% 25.33 1000 1 0 0

7 50% 63.325 2500 1 0 0

8 60% 75.99 3000 1 0 0

Acção sísmica

Teste 𝜇 (%) Massa

TMD (ton)

Rigidez TMD

(kN/m)

Frequência TMD (Hz)

Factor de amortecimento

TMD (%)

Factor de amortecimento oscilador (%)

9 - 0 - - - 0

10 0.5% 0.63325 25 1 0 0

11 1% 1.2665 50 1 0 0

12 5% 6.3325 250 1 0 0

13 10% 12.665 500 1 0 0

14 20% 25.33 1000 1 0 0

15 30% 37.995 1500 1 0 0

16 40% 50.66 2000 1 0 0

17 50% 63.325 2500 1 0 0

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32

O primeiro teste para cada acção (testes 1 e 9) efectuou-se sobre uma estrutura apenas constituída

por um oscilador, sem TMD, para que se pudesse calcular a redução da resposta do oscilador para as

várias percentagens de massa do TMD.

Realizou-se um estudo comparativo das novas frequências da estrutura com cada percentagem de

massa dos testes 10 a 17, com o intuito de confirmar o referido na análise da Figura 3.3: o afastamento

entre as duas novas frequências aumenta com o aumento da relação entre massa do TMD e a massa

do oscilador. A Figura 4.2 mostra as duas frequências criadas nos 7 testes mencionados, em função

da percentagem de massa do TMD utilizada em cada teste.

Figura 4.2 - Comparação das frequências de vibração para vários factores μ

É possível confirmar que um aumento da massa do TMD provoca um afastamento das duas novas

frequências. Para além disso, pode ver-se que quanto mais pequena for a percentagem de massa do

TMD, mais afastamento provoca um aumento dessa massa. Para grandes percentagens de massa, as

frequências pouco variam com a variação da massa do TMD. Por último, é possível verificar que, para

baixos valores de massa do TMD, as novas frequências não são simétricas em relação à original,

estando a frequência mais baixa (associada ao movimento em que as duas massas vibram em fase)

mais afastada da frequência original do que a frequência mais alta (associada ao movimento em que

as duas massas vibram em oposição de fase).

Na Tabela 4.4 encontram-se os resultados dos testes 1 a 17, em termos de deslocamentos do oscilador

e de variação dos deslocamentos para cada percentagem de massa dada ao TMD. Esta variação é

considerada positiva se consistir num aumento dos deslocamentos em relação à situação original (sem

TMD), ou negativa se consistir numa redução desses deslocamentos. As percentagens de redução do

deslocamento no topo do oscilador para cada percentagem de massa e para cada acção encontram-

se graficamente representadas na Figura 4.3.

0.64

0.67

0.75

0.81

0.86

0.93 1.07

1.15

1.22

1.33

1.48

1.54

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

𝜇(%

)

Frequência (Hz)

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33

Figura 4.3 - Variação dos deslocamentos do oscilador para diferentes factores μ, para uma acção sinusoidal (esq.) e para uma acção sísmica (dir.)

Tabela 4.4 – Resultados dos testes efectuados para estudar a influência do factor 𝜇

Os deslocamentos obtidos para a acção sinusoidal apresentam um máximo de redução no teste 7, ou

seja, para μ = 50%. Todos os testes apresentam uma redução de mais de 90% do deslocamento do

topo do oscilador, o que se pode justificar pelo facto da acção sinusoidal ter uma frequência igual à do

oscilador, o que causa uma situação de ressonância quando este está ainda sem o TMD (teste 1). A

introdução do TMD leva a uma alteração da frequência da estrutura, que já não vibra em perfeita

ressonância. A redução causada pelo TMD é, então, por um lado devida à alteração da frequência

própria da estrutura para fora da zona de ressonância, e por outro devida à própria actuação do TMD

sobre o oscilador. Pode ver-se que, do teste 2 ao teste 7, a redução dos deslocamentos do oscilador

aumenta com o aumento da massa do TMD. A nova frequência própria da estrutura estará tanto mais

afastada da frequência do oscilador quanto maior for a nova massa introduzida (como já se tinha

verificado através da Figura 3.3). Deste modo, faz sentido que a redução dos deslocamentos do

oscilador seja tanto mais evidente quanto maior for a massa do TMD. É interessante também notar que

a taxa de redução do deslocamento do oscilador não é contante, mas vai diminuindo à medida que a

massa do TMD aumenta, o que significa que, à medida que a estrutura se afasta de uma situação de

ressonância, uma variação na nova frequência própria da estrutura tem menor influência no

comportamento do oscilador. Acresce o facto de um aumento da massa do TMD significar um aumento

da rigidez do meio que o liga ao oscilador. Para uma massa do TMD superior a certo valor, as condições

de ligação do TMD à estrutura podem tornar-se demasiado rígidas, suprimindo o grau de liberdade do

mesmo. Este facto pode comprovar-se ao se verificar que a redução resultante do teste 8 é inferior à

do teste 7, contrariando a tendência de aumento da redução dos testes anteriores.

Teste 1 2 3 4 5 6 7 8

Deslocamento (m)

3.157 0.275 0.197 0.108 0.084 0.072 0.052 0.062

Variação (%) - -91.3% -93.8% -96.6% -97.3% -97.7% -98.4% -98.0%

Teste 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Deslocamento (m)

0.139 0.126 0.113 0.119 0.135 0.136 0.141 0.138 0.141

Variação (%) - -9.5% -18.3% -14.0% -2.5% -1.7% 2.0% -0.3% 1.4%

10

11

12

13

14

15

16

17

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

5%

0.0% 10.0% 20.0% 30.0% 40.0% 50.0%

Va

ria

çã

o (

%)

μ (%)

Acção Sísmica

2

3

45

67 8

-100%

-98%

-96%

-94%

-92%

-90%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

Va

ria

çã

o (

%)

μ (%)

Acção Sinusoidal

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34

Para a acção sísmica, a tendência descrita anteriormente não se confirma. Verifica-se, pela análise da

Figura 4.3 (à direita), que a redução dos deslocamentos não é proporcional à variação da massa do

TMD, apresentando um comportamento aparentemente independente à mesma. O facto de a acção

sísmica ser uma acção não periódica leva a que existam várias frequências que, sendo análogas à

frequência da estrutura, podem causar uma situação próxima da ressonância. Num caso em que uma

das novas frequências criadas por determinada massa colocada no TMD seja próxima de uma

frequência mais excitada da acção sísmica, dá-se uma situação de ressonância da estrutura, o que é

prejudicial à actuação do TMD. Neste sentido, apenas é razoável relacionar a redução da resposta com

a variação da massa do TMD para acções periódicas, ou, pelo menos, com um conteúdo em

frequências conhecido.

Factor de amortecimento do TMD, 𝜉2

Nesta 2ª parte do estudo foram efectuados 6 novos testes para cada uma das acções, onde apenas se

fez variar o factor de amortecimento do TMD, 𝜉2, mantendo todos os outros parâmetros constantes.

Considerou-se um factor 𝜇 = 5% e calculou-se o respectivo amortecimento óptimo 𝜉2ó𝑝𝑡. Consideraram-

se adicionalmente valores de amortecimento superiores e inferiores ao amortecimento óptimo.

Tabela 4.5 - Testes efectuados para estudar a influência do amortecimento do TMD

Acção sinusoidal, 𝒇 = 𝟏 𝑯𝒛

Teste 𝜇 (%) Massa TMD (ton)

Rigidez TMD

(kN/m)

Frequência TMD (Hz)

Factor de amortecimento

TMD (%)

Factor de amortecimento oscilador (%)

4 5% 6.3325 250 1 0 0

18 5% 6.3325 250 1 3.18% 0

19 5% 6.3325 250 1 6.36% 0

20 5% 6.3325 250 1 𝜉2ó𝑝𝑡= 12.73% 0

21 5% 6.3325 250 1 25.45% 0

22 5% 6.3325 250 1 38.18% 0

23 5% 6.3325 250 1 50.91% 0

Acção sísmica

Teste 𝜇 (%) Massa TMD (ton)

Rigidez TMD

(kN/m)

Frequência TMD (Hz)

Factor de amortecimento

TMD (%)

Factor de amortecimento oscilador (%)

12 5% 6.3325 250 1 0 0

24 5% 6.3325 250 1 3.18% 0

25 5% 6.3325 250 1 6.36% 0

26 5% 6.3325 250 1 𝜉2ó𝑝𝑡= 12.73% 0

27 5% 6.3325 250 1 25.45% 0

28 5% 6.3325 250 1 38.18% 0

29 5% 6.3325 250 1 50.91% 0

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35

Como testes base para se calcular a variação da resposta devido à introdução de amortecimento do

TMD foram considerados os testes 4 e 12. A Tabela 4.5 descreve os testes a efectuar.

Na Tabela 4.6 encontram-se os resultados dos testes 18 a 29, em termos de deslocamentos do

oscilador e de variação desses deslocamentos em relação a uma situação original (testes 4 e 12) para

cada factor de amortecimento do TMD. A variação percentual do deslocamento no topo do oscilador

para cada factor de amortecimento do TMD e para cada acção encontram-se graficamente

representadas na Figura 4.4.

Tabela 4.6 – Resultados dos testes efectuados para estudar a influência do amortecimento do TMD

Para a acção sinusoidal, como a frequência de excitação é de 1 Hz, podemos ver na Figura 3.5 que,

quando �̅�1 = 1, um aumento do amortecimento agrava o coeficiente de amplificação dinâmica, o que

implica que os deslocamentos no topo do oscilador se agravem também. Acresce ainda o facto de um

amortecimento alto no TMD suprimir em parte o grau de liberdade do mesmo, reduzindo a sua eficácia.

No entanto, para valores baixos do amortecimento do TMD, a sua acção pode ser melhorada por haver

um melhor controlo do movimento do TMD.

Para uma acção sísmica, há uma melhoria da resposta do oscilador até certo nível de amortecimento,

pode ser por estarmos numa zona semelhante à assinalada no gráfico. A partir desse nível, a

rigidificação do amortecedor leva a uma redução da eficácia do TMD no controlo da resposta do

oscilador.

Teste 4 18 19 20 21 22 23

Deslocamento (m)

0.108 0.096 0.101 0.114 0.159 0.219 0.272

Variação (%) - -11.2% -6.1% 5.5% 47.2% 102.9% 151.5%

Teste 12 24 25 26 27 28 29

Deslocamento (m)

0.119 0.062 0.051 0.046 0.048 0.054 0.059

Variação (%) - -48.3% -57.2% -61.7% -59.9% -54.7% 50.2%

Figura 4.4 - Variação dos deslocamentos do oscilador para diferentes factores 𝜉2, para uma acção sinusoidal (esq.) e para uma acção sísmica (dir.)

24

25

26

27

28

29

-63%

-61%

-59%

-57%

-55%

-53%

-51%

-49%

-47%

-45%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

Va

ria

çã

o (

%)

𝜉2 (%)

Acção Sísmica

1819

20

21

22

23

-20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

Va

ria

çã

o (

%)

𝜉2 (%)

Acção Sinusoidal

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36

Frequência do TMD

Nesta parte do estudo são efectuados 7 testes novos iguais para cada uma das acções, onde se faz

variar o factor 𝑞 =𝜔2

𝜔1=

𝑓2

𝑓1, mantendo todos os parâmetros constantes. Dado que a frequência de se

considera um oscilador com propriedades iguais para todos os testes efectuados, uma variação do

factor 𝑞 é traduzida por uma variação da frequência do TMD (𝑓2). São novamente utilizados os testes

4 e 12 para representar a situação em que 𝑞 = 1. Os testes efectuados encontram-se na Tabela 4.7.

Tabela 4.7 - Testes efectuados para estudar a influência do parâmetro 𝑞

Acção sinusoidal, 𝒇 = 𝟏 𝑯𝒛

Teste 𝜇 (%) Massa TMD (ton)

Rigidez TMD

(kN/m)

Frequência TMD (Hz)

Factor de amortecimento

TMD (%)

Factor de amortecimento oscilador (%)

30 5% 6.3325 122.50 0.7 0 0

31 5% 6.3325 160.00 0.8 0 0

32 5% 6.3325 202.50 0.9 0 0

33 5% 6.3325 226.75 𝑞ó𝑝𝑡 = 0.952 0 0

4 5% 6.3325 250.00 1 0 0

34 5% 6.3325 275.62 1.05 0 0

35 5% 6.3325 302.50 1.1 0 0

36 5% 6.3325 360.00 1.2 0 0

Acção sísmica

Teste 𝜇 (%) Massa TMD (ton)

Rigidez TMD

(kN/m)

Frequência TMD (Hz)

Factor de amortecimento

TMD (%)

Factor de amortecimento oscilador (%)

37 5% 6.3325 122.50 0.7 0 0

38 5% 6.3325 160.00 0.8 0 0

39 5% 6.3325 202.50 0.9 0 0

40 5% 6.3325 226.75 𝑞ó𝑝𝑡 = 0.952 0 0

12 5% 6.3325 250.00 1 0 0

41 5% 6.3325 275.62 1.05 0 0

42 5% 6.3325 302.50 1.1 0 0

43 5% 6.3325 360.00 1.2 0 0

Como a variação da frequência do TMD faz variar as duas frequências de vibração da estrutura,

apresenta-se na Figura 4.5 uma comparação das novas frequências da estrutura dos testes 30 a 43, 4

e 12. São também considerados os casos em que 𝑞 = 0.5 e 𝑞 = 1.5, para melhor se compreender a

tendência de evolução das duas frequências de cada sistema.

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37

Figura 4.5 - Comparação das frequências de vibração para vários factores 𝑞

Pode ver-se que a 1ª frequência do sistema, quando o oscilador e o TMD vibram em fase, tende para

um valor ligeiramente inferior a 1 ao se aumentar a frequência do TMD. Pode atribuir-se esta tendência

a uma supressão do grau de liberdade do TMD devido ao grande aumento da rigidez do TMD. Numa

situação limite em que 𝑞 = ∞, o sistema passa a ter apenas um grau de liberdade com a massa total

do TMD e do oscilador. Para uma situação em que um TMD com 𝜇 = 5% se fixa rigidamente ao

oscilador com 126.65 𝑡𝑜𝑛, a frequência de vibração passa a ser de 0.976 𝐻𝑧, valor bastante próximo do

0.94 𝐻𝑧 correspondente à 1ª frequência no sistema com 𝑞 = 1.5.

A 2ª frequência do sistema, quando o oscilador e o TMD vibram em oposição de fase, tende para 1 ao

se diminuir a frequência do TMD. Numa situação limite em que 𝑞 = 0, pode considerar-se que a rigidez

do TMD é nula, e com isso também a sua ligação ao oscilador o é, não tendo o TMD interferência

alguma no comportamento do oscilador, que continua com uma frequência de vibração de 1 𝐻𝑧.

Os deslocamentos (em cm) no topo do oscilador para os testes 30 a 43 apresentam-se na Tabela 4.8.

Para melhor se visualizar a variação dos mesmos com o factor 𝑞, apresentam-se graficamente, para

as duas acções, os resultados obtidos (Figura 4.6).

Tabela 4.8 – Resultados dos testes efectuados para estudar a influência do parâmetro 𝑞

1.59

1.31

1.231.19

1.151.12

1.10

1.06

1.04

1.010.49

0.67

0.75

0.820.840.860.880.89

0.91

0.94

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

q

Frequência (Hz)

Teste 30 31 32 33 4 34 35 36

Deslocamento (cm) 57.3 31.2 15.4 10.5 10.8 14.0 17.4 23.8

Teste 37 38 39 40 12 41 42 43

Deslocamento (cm) 12.5 13.2 12.7 12.8 11.9 12.5 14.8 11.6

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38

Figura 4.6 - Variação dos deslocamentos do oscilador para diferentes factores q, para uma acção sinusoidal (esq.) e para uma acção sísmica (dir.)

Para uma acção sinusoidal com frequência igual à do oscilador pode verificar-se que os deslocamentos

no oscilador são mais baixos para frequências do TMD próximas dessa frequência, apresentando um

mínimo para uma relação entre frequências 𝑞ó𝑝𝑡 = 0.952. Verifica-se também que, para valores de

frequência do TMD inferiores a esse valor, os deslocamentos aumentam a uma taxa superior à dos

deslocamentos para frequências superiores. Os factores 𝑞 = 0.7 e 𝑞 = 1.2, igualmente distanciados do

factor 𝑞 = 0.952, levam a deslocamentos bastante diferentes, sendo o corresponde à frequência mais

alta (23.8 𝑐𝑚) menos de metade do correspondente à frequência mais baixa (57.3 𝑐𝑚).

Para uma acção sísmica, a Figura 4.6 mostra, de maneira semelhante à variação dos deslocamentos

com o factor 𝜇 (Tabela 4.3 à direita), um comportamento aparentemente independente do factor 𝑞. A

curva de deslocamentos em função da frequência do TMD não parece seguir uma tendência, sendo

constituída sucessivamente por picos máximos e mínimos de deslocamentos no topo do oscilador. Tal

como no caso em que se faz variar a massa do TMD, ao se fazer variar a sua frequência, as frequências

de ressonância da estrutura alteram-se, como mostra a Figura 4.5. Este facto, aliado ao facto da acção

sísmica ter um conteúdo de frequências desconhecido, pode ser a justificação para a aparente

aleatoriedade dos resultados obtidos. Não se pode concluir se um aumento ou uma diminuição da

frequência do TMD em relação à frequência do oscilador têm um efeito benéfico, pois a aproximação

entre uma das novas frequências da estrutura e uma frequência mais excitada da acção sísmica

imposta leva a que uma possível tendência seja deturpada, conduzindo a resultados que não parecem

ter qualquer interpretação lógica. Deste modo, é importante concluir que a sintonização do TMD não

pode depender das características da acção no caso de um sismo, dada a sua aleatoriedade, devendo

este ser sintonizado para as características da estrutura.

Factor de amortecimento do oscilador, 𝜉1

Nesta última parte do estudo foram efectuados 4 testes novos iguais para cada uma das acções. Em

dois deles considerou-se amortecimento no oscilador sem TMD e nos outros dois considerou-se

amortecimento no oscilador com TMD, para que se possa comparar a influência do TMD no

37

38

39

40

12

41

42

4311

11.5

12

12.5

13

13.5

14

14.5

15

0.65 0.75 0.85 0.95 1.05 1.15 1.25

Deslo

cam

ento

(cm

)

𝑞

Acção Sísmica

30

31

3233 4

3435

36

0

10

20

30

40

50

60

0.65 0.75 0.85 0.95 1.05 1.15 1.25

Deslo

cam

ento

(cm

)

q

Acção Sinusoidal

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39

comportamento do oscilador em função do seu amortecimento. Os testes efectuados encontram-se

descritos na Tabela 4.9.

Tabela 4.9 - Testes efectuados para estudar a influência do amortecimento do oscilador

Acção sinusoidal, 𝒇 = 𝟏 𝑯𝒛

Teste 𝜇 (%) Massa TMD (ton)

Rigidez TMD

(kN/m)

Frequência TMD (Hz)

Factor de amortecimento

TMD (%)

Factor de amortecimento oscilador (%)

44 - 0 - - - 2.0%

45 - 0 - - - 3.5%

46 - 0 - - - 5.0%

47 5% 6.3325 250 1 0 2.0%

48 5% 6.3325 250 1 0 3.5%

49 5% 6.3325 250 1 0 5.0%

Acção sísmica

Teste 𝜇 (%) Massa TMD (ton)

Rigidez TMD

(kN/m)

Frequência TMD (Hz)

Factor de amortecimento

TMD (%)

Factor de amortecimento oscilador (%)

50 - 0 - - - 2.0%

51 - 0 - - - 3.5%

52 - 0 - - - 5.0%

53 5% 6.3325 250 1 0 2.0%

54 5% 6.3325 250 1 0 3.5%

55 5% 6.3325 250 1 0 5.0%

Na Tabela 4.10 encontram-se os os deslocamentos obtidos para os testes 44 a 55. Apresenta-se

também, para cada acção, a redução do deslocamento no topo do oscilador de uma situação com TMD

em relação a uma situação sem TMD (teste 46 em relação ao 44, por exemplo).

Tabela 4.10 - Resultados dos testes efectuados para estudar a influência do amortecimento do oscilador

Conclui-se que, tanto para uma acção sinusoidal como para uma acção sísmica, a intervenção do TMD

é mais evidente para menores valores de amortecimento do oscilador. A conclusão pode ser estendida

ao caso em que não existe qualquer amortecimento no oscilador, efectuado na análise da influência do

parâmetro 𝜇 (testes 4 e 12, cujos resultados se encontram na Tabela 4.4). Neste caso, a redução devido

à introdução do TMD é de 96.6% para uma acção sinusoidal e 14.0% para uma acção sísmica, valores

bastante superiores aos 61.4% e 2.76% obtidos para um factor de amortecimento de apenas 𝜉1 = 2%.

Teste 44 45 46 47 48 49

Deslocamento (cm) 0.179 0.151 0.133 0.069 0.066 0.063

Variação (%) - - - -61.4% -56.6% -52.4%

Teste 50 51 52 53 54 55

Deslocamento (cm) 0.074 0.062 0.057 0.072 0.061 0.056

Variação (%) - - - -2.76% -2.65% -1.59%

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40

4.6 Conclusões

Em resumo do que foi analisado neste estudo preliminar, apresentam-se aqui as principais conclusões

retiradas.

Uma maior percentagem de massa nem sempre conduz a melhores resultados. A eficácia do TMD é

muito condicionada pela relação entre as novas frequências de vibração criadas pela introdução do

TMD no sistema e a frequência da acção. Numa acção harmónica, o seu efeito é tendencialmente

crescente com a massa utilizada, até um ponto em que a massa introduzida é “excessiva” e implica

uma rigidez demasiado alta na sua ligação ao oscilador. Numa acção sísmica, a eficácia do TMD

aparenta ser aleatória pois não são conhecidas as frequências mais excitadas no conjunto de

acelerogramas utilizados, sendo impossível estabelecer uma relação entre as frequências do sistema

com TMD e da acção para concluir sobre a existência de situações de ressonância que impedem a

acção do TMD no controlo da resposta do oscilador;

O amortecimento no TMD, para uma acção sinusoidal, é benéfico até certo valor, a partir do qual reduz

bastante a eficácia do mesmo, por impedir o movimento que é necessário para que este contrarie o

movimento do oscilador. Para uma acção sísmica, a eficácia do TMD é sempre aumentada em relação

a uma situação sem amortecimento, apresentando um máximo para o amortecimento óptimo do TMD;

A frequência do TMD é um parâmetro difícil de controlar (para uma acção sísmica) e cuja variação tem

implicações grandes na actuação do mesmo. Conclui-se que, para uma acção harmónica, o TMD deve

ter uma frequência semelhante à da acção e para uma acção sísmica (não harmónica) uma frequência

semelhante à do modo de vibração que se quer anular;

Um aumento do amortecimento estrutural (amortecimento do oscilador) reduz a eficácia do TMD.

Conclui-se que o TMD é um dispositivo com benefícios maiores, e por isso mais adequado, no controlo

da resposta de estruturas pouco amortecidas. Esta conclusão apenas serve para suportar uma decisão

em fase prévia sobre a aplicabilidade de um TMD a determinado edifício, e em nada condiciona o

dimensionamento do mesmo.

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41

5 CASO DE ESTUDO

5.1 Introdução

O presente capítulo dedica-se ao estudo da aplicação de um TMD (ou grupo de TMDs) na protecção

sísmica de um edifício alto. Os aspectos centrais de análise são a percentagem de massa, o

amortecimento e a localização dos TMDs. Não é efectuado um estudo sobre o amortecimento estrutural

porque, para além de se ter já concluído que o TMD é um dispositivo mais eficaz sobre estruturas com

baixo amortecimento, a estrutura em análise tem um valor de amortecimento associado aos materiais

estruturais que não deve ser alterado. A frequência do TMD foi fixada para ser igual à dos modos de

vibração que se queriam anular. Apesar de não se ter conseguido concluir inequivocamente sobre o

efeito da variação da frequência do TMD no estudo preliminar, consegue ver-se na análise efectuada

nesse capítulo que tomar um factor 𝑞 = 1 é uma boa hipótese de dimensionamento. A localização dos

TMDs surge com a criação de um grupo de TMDs, e serve não só para estudar as consequências de

se usar mais do que um TMD, como também para averiguar qual a melhor distribuição desses

dispositivos em altura e em planta na estrutura. As conclusões retiradas da análise de cada teste vão

sendo consideradas no processo de testes efectuado posteriormente, pois só assim o estudo poderá

evoluir de maneira a procurar uma solução que garanta o melhor controlo da resposta dinâmica da

estrutura.

5.2 Estrutura base

Estrutura real e modelo computacional

Como exemplo de um edifício alto real foi considerado o modelo computacional da Torre Hito Cultural,

um edifício de escritórios em construção na cidade de Lima, Perú que servirá de sede do Banco de la

Nación. Foi possível ter acesso ao modelo computacional já efectuado no programa SAP2000 pela

empresa de projecto responsável pela obra, dispensando o trabalho da modelação rigorosa de um

edifício alto novo, que não está no âmbito deste trabalho. A modelação efectuada corresponde à

estrutura existente numa fase de projecto, podendo não corresponder à estrutura realmente construída.

A Figura 5.1 mostra duas vistas do projecto do edifício.

O edifício tem 29 pisos elevados com uma altura total de 127 metros, e 4 pisos enterrados. Os pisos

têm um pé-direito de 4m, com excepção dos 7 primeiros pisos, com um pé-direito de 5m. A planta tem

uma geometria rectangular com a menor dimensão segundo Y fixa (𝑙𝑦 = 27.95 𝑚) e maior dimensão

segundo X variável em altura (47.35 𝑚 ≤ 𝑙𝑥 ≤ 55.89 𝑚). A estrutura é de betão armado, porticada no

contorno com 16 pilares exteriores e paredes resistentes no interior. As lajes são vigadas. O betão

utilizado nas lajes, vigas e pilares varia de classe em altura, desde um FC600 (𝑓𝑐 = 58.8 𝑀𝑃𝑎) a um

FC280 (𝑓𝑐 = 27.5 𝑀𝑃𝑎). A planta é alterada nos pisos inferiores, sofrendo uma redução nos pisos 1 e

2, e um aumento no lado oposto nos pisos 1 a 7.

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42

A estrutura livre tem um peso de 1 766 029 kN , para a combinação quase permanente de cargas (𝛹2 =

0.4).

Imagens do modelo 3D, da planta corrente e das duas variantes encontram-se representadas na Figura

5.2. Nas plantas, os elementos a azul representam paredes estruturais, a amarelo vigas e a salmão

lajes. Na representação 3D as vigas estão a amarelo e as lajes e paredes a salmão.

Figura 5.1 – Projecto do edifício Torre Hito Cultural (COSAPI, 2015)

Figura 5.2 – Modelo estrutural 3D (esq.); Planta corrente (baixo); Planta aumentada dos pisos 1 a 7 (cima à esq.); Planta reduzida dos pisos 1 e 2 (cima à dir.)

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43

Comportamento dinâmico da estrutura livre

A análise modal foi realizada através de vectores Ritz. Os aspectos mais importantes desta análise

estão resumidos nos três primeiros modos de vibração na Tabela 5.1. A deformada da estrutura para

estes modos de vibração está representada na Figura 5.3.

Tabela 5.1 – Resultados da análise modal da estrutura livre

Modo Frequência

(Hz)

Factores de participação de massa

Ux (%) Uy (%) Rz (%) ΣUx (%) ΣUy (%) ΣRz (%)

1 0.134 0.14 54.10 0.11 0.14 54.10 0.11

2 0.176 0.04 0.19 46.89 0.18 54.29 47.00

3 0.177 57.02 0.14 0.00 57.20 54.43 47.00

Os primeiros modos de vibração têm uma grande influência no comportamento dinâmico de uma

estrutura. No caso de edifícios altos, por se tratarem de estruturas tendencialmente mais flexíveis, o

valor da frequência associada ao 1º modo de vibração é, em geral, baixo.

Neste caso, é obtido para a frequência própria um valor de 0.134 𝐻𝑧, associado a uma translação em

Y. O facto do primeiro modo estar associado a um movimento de translação em Y revela uma maior

flexibilidade nesta direcção. Apesar dos elementos verticais existentes terem uma maior rigidez global

segundo Y, o que poderia fazer com que este modo de vibração necessitasse de uma maior quantidade

de energia e tivesse maior frequência do que o modo segundo X, o facto da menor dimensão ser

segundo Y faz com que efeito de pórtico (binário criado pelos vários pilares do contorno) nesta direcção

seja menos evidente, conferindo uma maior rigidez segundo X, com uma dimensão no mínimo 70%

superior à dimensão Y. As componentes de torção e de translação segundo X são quase nulas neste

modo de vibração, revelando uma estrutura quase simétrica em Y, com um movimento de translação

pura.

Figura 5.3 - Deformadas dos 3 primeiros modos de vibração

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44

O 2º modo de vibração é o primeiro modo de torção da estrutura, evidenciando um movimento de

rotação em torno de Z. Este modo requer uma maior quantidade de energia de deformação do que o

primeiro modo de translação segundo Y e menor que o primeiro modo de translação segundo X (3º

modo). Este facto pode ser relacionado com o afastamento das paredes resistentes relativamente ao

centro de rigidez da estrutura, que é maior segundo Y do que segundo X. Ao estarem as paredes

resistentes segundo X próximas do centro de rigidez de cada piso, pode existir uma maior facilidade de

rotação do que translação segundo X. Os movimentos de translação (em X e Y) são, neste modo, muito

pouco influentes, revelando uma grande proximidade entre o centro de rotação e o centro de rigidez.

O 3º modo é de translação em X, onde, mais uma vez, os outros dois movimentos têm muito pouca

participação, sendo a translação pura e a estrutura simétrica também em X.

A análise da resposta dinâmica do edifício foi feita através da avaliação dos deslocamentos absolutos

e esforços da estrutura, pois foi verificado que eram mais estas as características afectadas quando se

colocava um TMD na estrutura. Os esforços e deslocamentos foram avaliados em diversos pontos ou

elementos verticais localizados nos 4 alinhamentos de canto, por serem os alinhamento que melhor

representam o comportamento dinâmico global da estrutura. Os 4 alinhamentos encontram-se

identificados, no modelo 3D e em planta, na Figura 5.4.

Figura 5.4 – Identificação dos alinhamentos sujeitos a análise

Em relação a estes alinhamentos, é importante referir, para interpretação dos resultados futuros, que

todos apresentam alguma variação de geometria em altura: os alinhamentos 2 e 3 não apoiam a laje

dos pisos 1 e 2, que sofre um recuo até ao nível do núcleo nestes pisos; os alinhamentos 3 e 4, nos

pisos 1 a 7, servem de apoio a uma zona aumentada de laje. Por estarem em contacto com mais ou

menos massa transmitida pelo contacto com laje, é expectável que estes alinhamentos sofram um

aumento ou redução de esforços quando sujeitos a uma acção traduzida numa aceleração.

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45

A acção imposta à estrutura para se estudar a eficácia do TMD no controlo da resposta sísmica foi a

acção sísmica descrita no estudo preliminar - uma combinação de 10 acelerogramas artificias gerados

de acordo com o EC8.

A Figura 5.5 apresenta, para as duas direcções da acção sísmica, a evolução dos deslocamentos da

estrutura livre nas duas direcções, para cada alinhamento (a traço contínuo na direcção X e

interrompido em Y).

Figura 5.5 - Evolução dos deslocamentos absolutos da estrutura livre em altura nas duas direcções e nos 4 alinhamentos, para acção sísmica em X (esq.) e em Y (dir.)

Pode ver-se na Figura 5.5 que, para cada acção sísmica parecem existir apenas 4 curvas de

deformadas, em vez de 8. Na realidade estão representadas 8 curvas em cada gráfico. Seja qual for a

direcção da acção sísmica, os alinhamentos 3 e 1 apresentam deslocamentos absolutos em Y muito

semelhantes, bem como os alinhamentos 4 e 2. Para os deslocamentos em X, independentemente da

direcção da acção sísmica, isto acontece para os alinhamentos 3 e 2 e para os alinhamentos 4 e 1. Ao

olhar para a Figura 5.4 é possível confirmar que este comportamento é justificável, na medida que os

deslocamentos em X têm de ser praticamente iguais para pontos que pertencem à mesma fachada

segundo X, e os deslocamentos em Y têm de ser praticamente iguais para pontos que pertencem à

mesma fachada segundo Y.

Os deslocamentos absolutos em Y para a acção sísmica segundo X são pequenos, representando, em

média (para todos os alinhamentos), apenas 17% dos deslocamentos em X para a acção nessa

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Altura

(m

)

Deslocamento (m)

Acção sísmica em X

Alinhamento 1, em X Alinhamento 1, em Y

Alinhamento 2, em X Alinhamento 2, em Y

Alinhamento 3, em X Alinhamento 3, em Y

Alinhamento 4, em X Alinhamento 4, em Y

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Acção sísmica em Y

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46

direcção; também os deslocamentos em X para a acção sísmica segundo Y são pequenos,

representando, em média (para todos os alinhamentos), apenas 13% dos deslocamentos na direcção

da acção (Y).

O maior deslocamento absoluto da estrutura livre para o conjunto dos 10 acelerogramas é de 21.84 𝑐𝑚,

que ocorre no topo do edifício segundo a direcção Y para a acção nessa direcção. Em X, o maior

deslocamento ocorre também no topo do edifício e tem um valor de 19.30 𝑐𝑚. Era de esperar que,

sendo o edifício mais flexível em Y, o maior deslocamento absoluto ocorresse nesta direcção.

Para qualquer direcção da acção os alinhamentos apresentam uma diferença máxima nas deformadas

segundo essa direcção de 2.2 𝑐𝑚. Esta constatação é coerente com a análise modal efectuada, onde

se viu que os 1º e 3º modos eram de translação quase pura, com uma muito baixa participação do

movimento de torção em cada um deles. É também normal que esta maior desigualdade entre os

alinhamentos se dê na direcção Y visto que o modo de vibração de translação nesta direcção apresenta

uma componenente de torção ligeiramente superior à componente de torção do modo de translação

em X, e que, para além disto, a dimensão em X do edifício é muito superior à dimensão em Y, pelo que

o comportamento dos alinhamentos 1 e 3 quando ocorre um sismo em Y que induza uma pequena

rotação do edifício terá uma maior tendência a afastar-se do comportamento dos alinhamentos 2 e 4.

A Figura 5.6 apresenta a deformada do último piso (piso 30) para cada acção sísmica. Pode confirmar-

se que a componente de deformação perpendicular à acção sísmica é desprezável relativamente à

componente de deformação paralela à acção sísmica – a deformação é de translacção quase pura. Por

esta razão, e por se ter chegado à mesma conclusão relativamente aos esforços da estrutura, de aqui

em diante apenas se apresentam os resultados relativos à direcção da acção sísmica imposta.

Figura 5.6 – Deformada do último piso para a acção sísmica segundo X (esq.) e segundo Y (dir.)

Para que se possa estudar a influência do uso de TMDs no controlo de danos não estruturais, avaliou-

se também a evolução dos deslocamentos relativos em altura na estrutura livre. A Figura 5.7 representa

esses deslocamentos (em mm) para a acção sísmica nas duas direcções.

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47

Figura 5.7 - Evolução dos deslocamentos relativos da estrutura livre em altura nos 4 alinhamentos, na direcção da acção sísmica (X à esquerda e Y à direita)

É interessante notar que, tal como os deslocamentos absolutos, os deslocamentos relativos se

sobrepõem entre alinhamentos, apenas ficando visíveis os alinhamentos 3 e 4 em X, e em Y no topo

da estrutura. Na direcção Y, até ao piso 11 (altura de 51m) são visíveis os 4 alinhamentos.

Na direcção X, os deslocamentos relativos dos 4 alinhamentos são bastante semelhantes, apresentado

valores altos junto à base do edifício, até ao piso 7 (altura de 35m), e novamente no topo, a partir do

piso 22 (altura de 95m). Ao analisar o andamento dos deslocamentos relativos em altura, é difícil

associar a deformada da estrutura global à deformada típica de um pórtico, em que os deslocamentos

relativos se concentram na base, ou de uma parede resistente, em que os deslocamentos relativos

aumentam com a altura. De facto, pode apenas associar-se a variação dos deslocamentos relativos à

variação da geometria da estrutura. Até ao piso 7, a rigidez dos pilares é menor que nos outros pisos,

devido ao maior pé-direito destes pisos relativamente a todos os outros, pelo que se justifica que neste

pisos o deslocamento relativo seja maior. A partir do piso 22, os pilares sofrem uma redução na sua

rigidez por alteração do tipo de betão utilizado para um de menor resistência, e os deslocamentos

relativos voltam a aumentar. Nos últimos 3 pisos sofrem uma redução.

Em Y, os alinhamentos apresentam um comportamento menos uniforme entre eles, à semelhança do

que se observou na Figura 5.5. Enquanto os alinhamentos 3 e 1 têm um andamento mais uniforme, os

alinhamentos 4 e 2 apresentam grandes diferenças em deslocamentos relativos. Uma possível

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Altura

(m

)

Deslocamentos relativos em X

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Deslocamentos (mm)

Deslocamentos relativos em Y

Alinhamento 1 Alinhamento 2 Alinhamento 3 Alinhamento 4

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48

justificação para estas diferenças reside na assimetria em relação a Y dos elementos verticais, em

particular da localização das paredes resistentes em relação aos pilares de canto. Uma maior

proximidade (segundo X) dos pilares dos alinhamentos 3 e 1 às paredes resistentes segundo Y pode

levar a uma maior homogeneização dos deslocamentos relativos e a menores deslocamentos na base

do edifício. Um maior afastamento entre os pilares dos alinhamentos 4 e 2 e os elementos verticais

mais próximos (segundo X) pode tornar o seu comportamento menos uniforme e mais susceptível às

variações de geometria que ocorrem em altura, como descrito na análise da direcção X.

Na direcção X, o maior deslocamento relativo é de 9.24 𝑚𝑚 no piso 27 (altura de 115m), causando uma

rotação entre pisos de 𝑑𝑟

ℎ=

9.24

4000= 0.0023 𝑟𝑎𝑑, valor aceitável de acordo com o EC8. Na direcção Y, o

maior deslocamento relativo é de 14.33 𝑚𝑚 no piso 29 (altura de 123m), com uma rotação entre pisos

de 𝑑𝑟

ℎ=

14.33

4000= 0.0036 𝑟𝑎𝑑, valor também abaixo de qualquer limite imposto pelo EC8.

Os esforços na estrutura não devem ser apenas representados pelos esforços nos pilares de canto,

dado que existe uma grande quantidade de paredes resistentes de grande importância na absorção de

esforços causados por acções horizontais. No entanto, considera-se que a distribuição de esforços

pelos diversos elementos verticais (em planta) antes e depois da instalação do TMD se mantém

praticamente igual. Desta forma, toma-se a variação dos esforços nos elementos verticais dos

alinhamentos assinalados como representativa da variação de esforços em todos os elementos

verticais. Sendo a acção sísmica uma acção horizontal, avaliaram-se apenas os esforços que são

afectados por esse tipo de acção: esforço transverso e momento flector.

A Figura 5.8 mostra o esforço transverso registado nos vários alinhamentos, ao longo da altura do

edifício, para a acção sísmica nas duas direcções.

Pode ver-se, através da análise da Figura 5.8 que o esforço transverso segue um andamento típico de

um pórtico inserido uma estrutura mista pórtico-parede. Devido à grande incompatibilidade entre as

deformações no topo da parede e do pórtico (actuando como elementos independentes), em sistemas

mistos cuja laje tem um comportamento de diafragma horizontal, o pórtico tem de resistir a esforços

superiores aos induzidos pela acção sísmica, devido ao aumento induzido pelo controlo, nos pisos

superiores, da deformação em consola da parede resistente. Esta diferença entre a deformada do

pórtico e da parede faz com que os esforços adicionais nos pilares pertencentes a pórticos aumentem

em altura, com um agravamento desta diferença nas deformadas (Taranath, 2009).

No entanto, o efeito da acção sísmica é de criar maiores esforços junto à base da estrutura, onde a

acumulação de massas é maior, e onde os elementos verticais têm maior rigidez. Neste caso, os pilares

também vêm os seus esforços aumentados junto à base, embora existam bastantes paredes

resistentes, pois têm uma secção que lhes confere uma rigidez considerável relativamente à rigidez

das paredes. Na Figura 5.8 vê-se a sobreposição destes dois efeitos, com uma diminuição de esforços

até determinada altura, a partir da qual estes passam a aumentar.

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49

Figura 5.8 - Evolução do esforço transverso em altura para a acção sísmica segundo X (esq.) e segundo Y (dir.)

Para além disto, é possível verificar que existem particularidades nos dois diagramas. No piso 1, o

esforço nos alinhamentos 1 e 4 são bastante superiores aos dos elementos 2 e 3. De facto, apesar dos

pilares 2 e 3 neste piso terem uma secção aumentada (de 1m para 1.3m de lado), têm um

deformabilidade bastante superior à dos pilares dos alinhamentos 1 e 4, por terem um pé-direito 3

vezes superior.

Ao nível do piso 7 (altura de 35m) existe uma diminuição do número de elementos verticais, que se

traduz num aumento dos esforços nos elementos que se mantêm.

Pode também confirmar-se a estreita relação entre o esforço de transverso e a deformação entre pisos

dos vários alinhamentos. A deformada dos pórticos é uma deformada por corte, pelo que o

deslocamento relativo entre pisos está intimamente ligado à força de corte desenvolvida entre esses

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

0 50 100 150 200 250 300

Altura

(m

)

Transverso (kN)

Transverso X

Alinhamento 1 Alinhamento 2 Alinhamento 3 Alinhamento 4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

0 50 100 150 200 250 300

Transverso Y

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50

pisos. Uma análise comparativa da Figura 5.7 e da Figura 5.8 permite concluir que o andamento das

duas grandezas em altura é muito semelhante para cada alinhamento.

Em Y é possível identificar uma grande semelhança entre os esforços dos alinhamentos 1 e 3 e dos

alinhamentos 2 e 4.

5.3 Dimensionamento e modelação do TMD

O TMD foi modelado como um elemento frame com 5 metros de comprimento segundo a direcção Z,

com toda a sua massa concentrada no extremo superior livre. Ao ser modelado sobre uma estrutura

existente, as condições de ligação não correspondiam a um encastramento perfeito, pelo que foi

necessário proceder-se a uma calibração das características do TMD. Foram aplicadas duas forças

horizontais no extremo livre do TMD, uma na direcção X e outra na direcção Y, e calculado o

deslocamento (𝑑) induzido nesse ponto. Calculou-se de seguida a rigidez efectiva (𝑘) do elemento

frame, com base na relação 𝐹 = 𝑘 ∙ 𝑑, e ajustou-se a inércia da barra de modo a que essa rigidez

igualasse a rigidez teórica de uma consola com encastramento perfeito. A secção do elemento frame

do TMD foi modificada ao longo dos testes, sendo ajustada de forma a originar a frequência desejada,

para cada percentagem de massa testada.

O TMD foi dimensionado de forma a ter uma frequência de vibração igual à do modo que pretendia

anular, para cada direcção. Assim, para cada valor de massa do TMD, foi deduzida a geometria de

uma secção rectangular que conferisse ao elemento frame a rigidez necessária em cada direcção para

que o TMD tivesse uma frequência de 0.134 𝐻𝑧 segundo Y e de 0.177 𝐻𝑧 segundo X.

O material utilizado no TMD foi criado apenas para esse propósito, com características de elasticidade

simbólicas, dado que na realidade a ligação da massa à estrutura é feita por intermédio de cabos que

a suspendem, e molas e amortecedores que podem apoiá-la vertical ou horizontalmente, contribuindo

também para controlar os deslocamentos relativos entre a massa e a estrutura.

A Figura 5.9 mostra um TMD modelado no topo da estrutura. É importante referir nem todos os testes

utilizam um TMD como o representado na mesma figura, podendo variar a localização ou mesmo o

número de TMDs.

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51

Estudo paramétrico 1 - factor 𝝁

Este subcapítulo apresenta o estudo da influência da massa do TMD no controlo da resposta sísmica

da estrutura abordada. Foram efectuados 4 testes em que se usaram diferentes percentagens de

massa para o TMD (modelado no centro do último piso, como representado na Figura 5.9). Esta

percentagem de massa é aplicada sobre a massa oscilante do edifício, e não sobre a massa total do

mesmo. De facto, se o objectivo do TMD é anular a resposta de determinado modo de vibração, a

percentagem de massa que lhe atribuímos deve ser relacionada apenas com a massa que oscila nesse

modo. Essa massa oscilante é diferente de modo para modo, dada pelo factor de participação de

massas de cada modo em relação à massa total do edifício. Deste modo, foi necessário calcular, para

cada factor 𝜇, que massa teria idealmente o TMD em cada direcção. Dado que o TMD é constituído

fisicamente por apenas uma massa que pode vibrar nas duas direcções, não pode ser atribuído no

modelo um valor de massa diferente nas duas direcções. Foi então atribuído o valor intermédio entre o

valor ideal em X e o valor ideal em Y. Os testes efectuados encontram-se descritos na Tabela 5.2.

Tabela 5.2 - Testes efectuados no estudo paramétrico 1

𝝁 Massa (ton)

0.5% 500.29

1% 1000.59

1.5% 1500.88

2% 2001.17

A rigidez do TMD foi sempre alterada de forma a que a frequência de vibração em cada direcção

igualasse a frequência do modo de vibração da estrutura nessa direcção. A escolha do factor 𝜇 foi um

processo onde se avaliaram os resultados dos testes efectuados para decidir qual o próximo factor 𝜇 a

utilizar. Ao se chegar a 𝜇 = 2% e constatar o valor elevado de massa ao qual este correspondia, optou-

se por não atribuir um factor superior a este. Como explicado anteriormente, elevados valores de massa

levam a soluções pouco viáveis ao não se conseguir materializar o TMD no espaço disponível ou não

ser possível respeitar os requisitos de deformação em serviço dos elementos de suporte.

Figura 5.9 – Imagem da modelação de um TMD no topo do edifício

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52

Para se verificar se o modelo efectuado estava a funcionar correctamente, foram primeiramente

avaliadas as várias frequências de vibração criadas pela introdução do TMD, para os modos de

translação que a introdução do TMD pretendia controlar. A Tabela 5.3 representa o resultado dessa

avaliação. Para cada factor 𝜇 são apresentadas as duas novas frequências de vibração dos modos de

translação em X e Y, bem como o factor de participação de massas (em baixo do valor de frequência).

Tabela 5.3 - Análise das alterações aos primeiros modos de translação em X e Y geradas pela introdução de um

TMD com diferentes factores 𝜇

𝝁 Translação em X Translação em Y

0% 0.134 Hz 0.177 Hz

54.1% 57.0%

0.5% 0.126 Hz 0.142 Hz 0.168 Hz 0.187 Hz

28.9% 25.3% 29.5% 27.7%

1% 0.123 Hz 0.146 Hz 0.164 Hz 0.191 Hz

29.7% 24.5% 30.1% 27.2%

1.5% 0.121 Hz 0.149 Hz 0.161 Hz 0.194 Hz

30.7% 23.5% 30.8% 26.4%

2% 0.117 Hz 0.149 Hz 0.157 Hz 0.194 Hz

28.8% 25.1% 27.9% 29.0%

É possível ver que, para cada direcção de actuação do TMD, existe uma divisão do modo de vibração

original em dois novos modos, um com uma frequência superior e outro com uma frequência inferior à

original. De acordo com o verificado na Figura 3.3, constata-se que um aumento na percentagem de

massa do TMD traduz-se num afastamento das duas frequências de vibração dos modos de translação

em X e Y. É possível verificar também que para qualquer factor 𝜇, a soma das participações de massa

dos dois novos modos é aproximadamente igual à participação de massa do modo original na estrutura

sem TMD. Em todos os testes, os movimentos dominantes no 1º e 2º modos são os de translação em

Y, no 3º e 5º modos são de translação em X e no 4º modo de torção.

A Figura 5.10 apresenta os resultados dos testes efectuados em termos de deslocamentos absolutos

da estrutura. Por já se ter confirmado que as deformadas dos 4 alinhamentos apresentam diferenças

desprezáveis (a diferença máxima entre as deformadas dos alinhamentos em cada piso é de 2.2 𝑐𝑚),

nesta figura apenas constam os deslocamentos do alinhamento 1, para cada direcção da acção

sísmica.

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53

A Figura 5.10 mostra um muito pequeno desvio da deformada da estrutura para qualquer valor de

massa do TMD utilizado, resultado que não era o esperado. Apesar da curva correspondente a 𝜇 =

0.5% se destacar visivelmente das restantes, as restantes apresentam diferenças quase

imperceptíveis, principalmente nos pisos superiores. Para melhor se avaliar a eficácia dos vários

valores de massa do TMD testados, a Figura 5.11 representa a redução (em percentagem) dos

deslocamentos em altura para cada factor 𝜇.

Em geral, os deslocamentos diminuem com o aumento da massa do TMD – ao ter maior massa, irá

criar maiores forças de inércia sobre a estrutura, teoricamente melhorando o seu comportamento. No

entanto, nem em todos os pisos a melhor solução corresponde ao uso da maior percentagem de massa.

Nos pisos superiores, vê-se que o factor 𝜇 = 1.5% (ou mesmo o factor 𝜇 = 1% em X) conduz a uma

redução de deslocamentos ligeiramente superior à redução provocada pelo factor 𝜇 = 2%.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

Altura

(m

)

Deslocamento (m)

Deslocamentos X

Sem TMD μ = 2%

μ = 1.5% μ = 1%

μ = 0.5%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Altura

(m

)

Deslocamento (m)

Deslocamentos Y

Sem TMD μ = 2%

μ = 1.5% μ = 1%

μ = 0.5%

110

115

120

125

0.14 0.16 0.18 0.20110

115

120

125

0.16 0.18 0.20 0.22

Figura 5.10 – Evolução dos deslocamentos em altura para os 4 testes do estudo paramétrico 1

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54

Figura 5.11 – Variação dos deslocamentos absolutos em altura para os vários testes do estudo paramétrico 1

Fizeram-se adicionalmente dois testes onde se atribuíram factores 𝜇 = 4% e 𝜇 = 5% ao TMD, apenas

com o objectivo de confirmar se a melhor solução no topo correspondia sempre ao factor 𝜇 = 1.5%.

Verificou-se que os dois novos testes conduziam a maiores reduções no topo que o teste 𝜇 = 1.5%,

tanto em X como em Y, embora o aumento de eficácia associado ao aumento da massa do TMD seja

mais evidente nos pisos intermédios, e não tanto nos pisos superiores. A figura onde se incluem as

duas curvas com 𝜇 = 4% e 𝜇 = 5% pode ser consultada no Anexo 2.

Na Figura 5.12 pode ver-se uma comparação da variação deslocamentos para cada factor 𝜇 utilizado,

para cada direcção da acção sísmica e para os alinhamentos 1 e 2 que, como se viu na Figura 5.5, são

representativos das deformadas dos 4 alinhamentos tanto em X como em Y. Cada gráfico apresenta

informação sobre a variação de deslocamentos avaliada em 3 conjuntos de pisos, que se consideraram

importantes de avaliar: os 5 pisos superiores (altura de 111m e 127m), os 5 pisos intermédios (altura

de 59m a 75m) e a média de todos os pisos, identificados, respectivamente, por topo, meio e média.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

-20.0% -15.0% -10.0% -5.0% 0.0%A

ltura

(m

)Variação

Variação deslocamentos Y

μ = 2% μ = 1.5%

μ = 1% μ = 0.5%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

-12.5% -10.0% -7.5% -5.0% -2.5% 0.0%

Altru

a (

m)

Variação

Variação deslocamentos em X

μ = 2% μ = 1.5%

μ = 1% μ = 0.5%

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55

-10%

-9%

-8%

-7%

-6%

-5%

-4%

-3%

0.5 1 1.5 2

Variação

𝜇 (%)

Deslocamentos X

Topo, alinhamento 1 Meio, alinhamento 1 Média, alinhamento 1

Topo, alinhamento 2 Meio, alinhamento 2 Média, alinhamento 2

Figura 5.12 – Comparação da variação de deslocamentos absolutos para os 4 testes do estudo paramétrico 1

-17%

-15%

-13%

-11%

-9%

-7%

-5%

-3%

0.5 1 1.5 2

Deslocamentos Y

É possível confirmar que o topo do edfício é, relativamente ao meio, menos beneficiado com o aumento

de massa do TMD. Em Y, o declive da recta correspondente ao topo reduz-se muito depois do ponto

𝜇 = 1%, chegando a ser negativo para o alinhamento 1. Em X, a maior redução no topo para o

alinhamento 2 dá-se mesmo para o factor 𝜇 = 1%. Enquanto a redução média dos deslocamentos em

todos os pisos aumenta (de maneira muito semelhante para o alinhamento 1 e 2) quase de forma

constante com o aumento da massa do TMD, na zona do meio do edifício essa redução aumenta com

o aumento da massa do TMD, e no topo diminui. Na direcção Y, apesar do topo ser a zona menos

afectada pelo aumento do factor 𝜇, na zona do meio do edifício o aumento da redução dos

deslocamentos vai-se tornando menos evidente com o aumento desse factor (diminui o declive da

recta).

É interessante também notar um comportamento dos dois alinhamentos bastante mais desigual em Y

do que em X. Como já se tinha confirmado na Figura 5.5, é na direcção Y que os alinhamentos têm

deformadas mais diferentes.

Em X, a solução que leva a uma redução mais homogénea dos deslocamentos em altura é a solução

com maior percentagem de massa. Em Y, pelo contrário, é a solução com menor percentagem de

massa.

A redução de deslocamentos é sempre maior na direcção Y do que na direcção X. Este facto pode ser

justificado com a maior flexibilidade que o edifício tem na direcção Y. Ao ser a direcção de translação

do 1º modo de vibração, irá ter uma importância maior que qualquer movimento no comportamento

dinâmico da estrutura, estando o TMD mais solicitado pelo movimento em Y.

A redução máxima de deslocamentos representada dá-se a meia altura, na direcção Y, e é de 16.0%

para um factor 𝜇 = 2%. A redução máxima dos deslocamentos num piso é de 17.4%.

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56

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

-16% -14% -12% -10% -8% -6% -4% -2% 0%

Variação transverso Y

Figura 5.13 - Variação do esforço transverso em altura para os 4 testes do estudo paramétrico 1

Por se confirmar que num gráfico que representasse os esforços em altura para cada solução se

tornava difícil visualizar as diferentes curvas (como a Figura 5.10 para os deslocamentos), optou-se

apenas por apresentar um gráfico com a variação dos mesmos, em percentagem, mais fácil de analisar

e identificar as diferenças correspondentes a cada solução testada.

Mais uma vez, é a direcção Y a que sofre maior redução, com a solução 𝜇 = 2% a destacar-se bastante

das restantes nos pisos mais elevados, nesta direcção. Em X, não só a redução é, em geral, menor

que em Y, como também o efeito do aumento da massa do TMD não é tão evidente. Em quase toda a

altura, este é o factor que conduz a melhores resultados, tanto em X como em Y.

A Figura 5.14 representa, à semelhança da Figura 5.12, uma comparação da variação de esforços

transversos associada a cada solução de TMD para os alinhamentos 1 e 2, nas zonas superior (média

dos 5 pisos superiores) e intermédia (média dos 5 pisos intermédios) do edifício, e na média de todos

os pisos do edifício.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

-16% -14% -12% -10% -8% -6% -4% -2% 0%

Altura

(m

)

Variação

Variação transverso X

μ = 0.5% μ = 1% μ = 1.5% μ = 2%

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57

Na generalidade, as curvas representadas mostram que um aumento da massa do TMD se traduz

numa maior redução dos esforços da estrutura. É importante notar que o TMD, apesar de funcionar ao

reduzir a resposta sísmica do edifício, é mais uma massa acoplada ao mesmo, tendo o efeito duplo de

aumento dos esforços da estrutura por aumento da massa da mesma, principalmente nos pisos mais

próximos do TMD, e de redução dos esforços por redução da aceleração do edifício. Ao analisar a

variação de esforços para cada solução, é possível ver que em nenhum piso os esforços sofrem um

aumento, ou seja, o efeito da redução da resposta geral do edifício é predominante relativamente ao

efeito negativo do acréscimo de massa.

As excepções à tendência de aumento da redução de esforços com o aumento de massa do TMD

ocorrem para o esforço transverso em X, no meio do edifício e no topo no alinhamento 2, e para o

esforço transverso em Y, no meio do edifício no alinhamento 1 para solução com maior percentagem

de massa. Apesar disso, as curvas a verde, representantes da redução média de todos os pisos, são

sempre decrescentes. O declive destas torna-se quase sempre menor com o aumento da massa do

TMD.

Para efeitos de aplicabilidade prática, é também importante conhecer a ordem de grandeza dos

esforços locais introduzidos pelo TMD nos elementos ao qual está acoplado, e dos deslocamentos

relativos a que esta massa está sujeita durante a actuação de um sismo. A Tabela 5.4 apresenta essa

informação para as 4 soluções testadas.

Tabela 5.4 – Esforço transverso e deslocamento relativo máximos para cada factor 𝜇

𝝁 0.5% 1% 1.5% 2%

Direcção X Y X Y X Y X Y

V (kN) 462.1 293.7 797.0 514.1 1076.5 684.0 1289.7 809.5

d (m) 0.573 1.147 0.531 0.919 0.475 0.701 0.473 0.700

-9%

-8%

-7%

-6%

-5%

-4%

-3%

-2%

-1%

0%

1%

0.5 1 1.5 2

Variação

𝜇 (%)

Transverso X

Topo, alinhamento 1 Meio, alinhamento 1 Média, alinhamento 1

Topo, alinhamento 2 Meio, alinhamento 2 Média, alinhamento 2

-12%

-11%

-10%

-9%

-8%

-7%

-6%

-5%

-4%

-3%

-2%

0.5 1 1.5 2

Transverso Y

Figura 5.14 - Comparação da variação de esforços transversos para os 4 testes do estudo paramétrico 1

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58

No modelo computacional, porque o TMD estava modelado como um elemento frame, foi avaliado o

esforço transverso máximo (médio dos 10 sismos considerados) na base desse elemento. Numa

situação real, esta força é a força transmitida às molas e amortecedores que fazem a ligação entre a

massa do TMD e a estrutura. O deslocamento relativo da massa foi calculado para todos os instantes

de actuação do sismo, sendo depois escolhido o máximo. O sismo utilizado foi o representativo, o sismo

5.

Como seria de esperar, um aumento da massa do TMD leva a um aumento das forças de ligação à

estrutura. Pelo contrário, os deslocamentos relativos da massa diminuem com o aumento da mesma,

pelo aumento da sua inércia. Em relação às duas direcções de movimento, o TMD apresenta maiores

deslocamentos na direcção Y, a direcção do 1º modo de vibração, na qual a estrutura apresenta

também maiores deslocamentos. Para além disto, na direcção Y a barra do TMD tem menor inércia,

pelo que irá absorver menores esforços e apresentar maiores deslocamentos que na direcção X. O

maior deslocamento ocorre para a solução com menor massa, 𝜇 = 0.5%, e é superior a 1 metro.

Como conclusão deste primeiro subcapítulo, é possível afirmar que um aumento da massa do TMD se

traduz, na maioria dos casos, numa melhoria da resposta do edifício, ao aumentar a redução dos

deslocamentos e esforços. Neste caso de estudo, por se tratar de um edifício extremamente pesado,

optou-se por não aumentar mais a percentagem de massa do TMD, por se achar impraticável num

caso real.

Estudo paramétrico 2 – localização do TMD ou múltiplos

TMDs

Este subcapítulo apresenta o resultado do estudo sobre a influência da localização do TMD, em planta

e altura, e da utilização de múltiplos TMDs no controlo da resposta sísmica do edifício. Foram

efectuados 4 testes novos, e foi utilizado o teste anterior com 𝜇 = 2% para comparação, por ter sido o

que conduziu a melhores resultados. Nestes novos testes, a massa total utilizada manteve-se

constante, de modo a que o único parâmetro variável fosse a localização de um ou de múltiplos TMDs.

Os testes serão identificados com os números:

1. 1 TMD com 𝜇 = 2% localizado no topo do edifício, o mesmo utilizado no estudo paramétrico

2. 1 TMD com 𝜇 = 2% mas localizado no piso intermédio do edifício, numa altura de 67m;

3. 4 TMDs, cada um com 𝜇 = 0.5%, distribuídos em planta, no último piso do edifício;

4. 8 TMDs, cada um com 𝜇 = 0.25%, também distribuídos em planta também do último piso do

edifício.

5. 2 TMDs com 𝜇 = 1% distribuídos em altura, um no topo e outro no meio do edifício (também

à altura de 67m)

Mais uma vez, a massa aplicada foi a mesma nas duas direcções, e a frequência do TMD igualada à

frequência de vibração dos 1º e 3º modos, de translação em Y e X, respectivamente.

Page 75: Análise da influência do uso de TMDs na resposta sísmica de ......Análise da influência do uso de TMDs na resposta sísmica de edifícios altos Maria Leonor Andrade e Sousa Braula

59

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

-20.0% -15.0% -10.0% -5.0% 0.0%

Variação deslocamentos em Y

FIgura 5.15 - Variação dos deslocamentos absolutos em altura para os vários testes do estudo paramétrico 2

A FIgura 5.15 representa a redução dos deslocamentos induzida por cada teste descrito anteriormente,

bem como a do teste 𝜇 = 2% no topo.

Pode ver-se que todos os testes apresentam uma redução em altura muito semelhante à do teste com

2% no topo. Em Y, a maior redução dá-se no meio do edifício, enquanto em X se dá nos pisos

superiores. Vê-se que duas das soluções se destacam com reduções menores que as outras: a solução

com um TMD com 𝜇 = 2% no meio (teste 2 da listagem anterior) e a solução com 2 TMDs com 𝜇 = 1%

distribuídos em altura (teste 3 da listagem anterior). A solução em que o TMD é colocado apenas no

meio do edifício (em altura), distingue-se sempre das outras: em X, a maior diferença dá-se nos pisos

superiores, enquanto em Y se dá nos pisos intermédios. Ao contrário do esperado, esta solução não

traz vantagem nenhuma na redução dos deslocamentos dos pisos intermédios. A solução em que os

dois TMDs são distribuídos em altura controla melhor os deslocamentos no topo e no meio nas duas

direcções, relativamente à solução com o TMD colocado apenas no meio.

A Figura 5.16 apresenta uma comparação da redução de deslocamentos em X e Y para um dos 5

testes deste estudo paramétrico, nos alinhamentos 1 e 2, nas zonas do topo do edifício, meio e média

de todos os pisos.

É possível confirmar que as duas soluções que conduzem a piores resultados são as soluções 2 e 5,

em que o TMD adopta uma localização diferente do topo. Pode então concluir-se que a situação que

leva a um melhor controlo da deformação da estrutura pelo TMD é aquela em que este se localiza o

mais perto possível (em altura) do ponto de maior deformação da estrutura.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

-12.0% -9.0% -6.0% -3.0% 0.0%

Altura

(m

)

Variação

Variação deslocamentos em X

2% TOPO 2% MEIO 1x4x0.5% 1x8x0.25% 2x1x1%

Page 76: Análise da influência do uso de TMDs na resposta sísmica de ......Análise da influência do uso de TMDs na resposta sísmica de edifícios altos Maria Leonor Andrade e Sousa Braula

60

Na direcção X, a solução com melhores resultados é a 4, com 4 TMDs distribuídos em planta, sendo

que as soluções 1, 3 e 5 apresentam resultados muito parecidos nesta direcção. A distribuição em

planta é importante para o controlo do modo de torção da estrutura, correspondente ao 2º modo.

Na direcção Y, com excepção das soluções 2 e 5, todas apresentam resultados semelhantes, não

sendo possível decidir qual a melhor solução no conjunto de todos os pisos e alinhamentos. O controlo

da torção nesta direcção não é tão importante.

Mais uma vez, a direcção Y é aquela em que o TMD controla melhor os deslocamentos. A maior

redução dá-se ao nível do piso 12 (altura de 55m) e é de 18.6%, uma ligeira melhoria relativamente

aos 17.4% obtidos na solução com 𝜇 = 2% no topo do estudo paramétrico 1.

A FIgura 5.17 representa a variação do esforço transverso em altura para as várias localizações do

TMD.

Mais uma vez, o andamento em altura dos esforços é muito parecido em cada direcção, e também

semelhante ao das soluções do estudo paramétrico 1. Tal como para os deslocamentos, este estudo

não apresenta vantagens significativas na redução dos esforços relativamente ao estudo anterior. Em

relação aos esforços é visível que a solução com o TMD no meio é a que conduz a piores resultados.

-18%

-16%

-14%

-12%

-10%

-8%

-6%

-4%

-2%

0%

1 2 3 4 5

Variação

Teste

Variação deslocamentos em X

Topo, alinhamento 1 Meio, alinhamento 1 Média, alinhamento 1

Topo, alinhamento 2 Meio, alinhamento 2 Média, alinhamento 2

-18%

-16%

-14%

-12%

-10%

-8%

-6%

-4%

-2%

0%

1 2 3 4 5

Variação deslocamentos em Y

Figura 5.16 - Comparação da variação de deslocamentos absolutos para os vários testes do estudo paramétrico 2

Page 77: Análise da influência do uso de TMDs na resposta sísmica de ......Análise da influência do uso de TMDs na resposta sísmica de edifícios altos Maria Leonor Andrade e Sousa Braula

61

FIgura 5.17 - Variação do esforço transverso em altura para os vários testes do estudo paramétrico 2

Ao analisar todas as figuras comparativas das várias soluções (5.12, 5.14, 5.16 e 5.18) é possível ver

que a redução na direcção Y é sempre mais homogénea que a redução da direcção X, ao longo da

altura do edifício. Neste caso, a direcção X apresenta grandes variações, havendo mesmo soluções

que apenas são vantajosas em certas zonas ou alinhamentos.

Na direcção Y, mais uma vez, a redução é superior à direcção X, sendo a solução 3 a mais vantajosa,

embora com diferenças pouco significativas em relação à solução 1 e 3.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

-16%-14%-12%-10% -8% -6% -4% -2% 0%

Altura

(m

)

Variação

Variação transverso em X

2% TOPO 2% MEIO 1x4x0.5% 1x8x0.25% 2x1x1%

-11%

-10%

-9%

-8%

-7%

-6%

-5%

-4%

-3%

-2%

-1%

0%

1%

1 2 3 4 5

Variação

Teste

Variação transverso em X

Topo, alinhamento 1 Meio, alinhamento 1 Média, alinhamento 1

Topo, alinhamento 2 Meio, alinhamento 2 Média, alinhamento 2

-13%

-12%

-11%

-10%

-9%

-8%

-7%

-6%

-5%

-4%

-3%

-2%

1 2 3 4 5

Variação transverso em Y

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

-18%-16%-14%-12%-10%-8% -6% -4% -2% 0%

Variação transverso em Y

FIgura 5.18 - Comparação da variação de esforços trasnversos para os vários testes do estudo paramétrico 2

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62

Para concluir este estudo paramétrico, é importante realçar que a localização do TMD é um parâmetro

que necessita de alguma atenção, dado que um TMD mal localizado tem uma redução menos eficaz

da que poderia ter. Esta localização deve ser preferencialmente o topo do edifício, e nunca apenas o

meio do edifício. Mais uma vez, os resultados obtidos são insatisfatórios, o que se pode justificar com

a aleatoriedade da acção imposta, a acção sísmica. Como se viu no estudo preliminar, o TMD é um

dispositivo com benefícios bastante superiores quando é sintonizado para a frequência da acção, e não

a frequência da estrutura. A natureza aleatória da acção sísmica pode provocar uma vibração no

edifício com frequências diferentes das duas para as quais o TMD é sintonizado, tornando-o pouco útil

no controlo da vibração.

Estudo paramétrico 3 – amortecimento do TMD

Neste último estudo paramétrico estuda-se o amortecimento do TMD. Num caso real, a massa do TMD

tem de estar amortecida para que haja um melhor controlo dos seus deslocamentos. Como casos de

análise, seleccionaram-se os que geraram melhores resultados na generalidade dos parâmetros

avaliados: um TMD no topo do edifício com 𝜇 = 2% e 4 TMDs também no topo do edifício com 𝜇 =

0.5%. A estes dois casos foram aplicados 3 factores de amortecimento: o amortecimento óptimo, um

amortecimento reduzido de 1%, e um amortecimentos mais elevado, de 12%. Pretende-se analisar o

efeito do amortecimento no controlo do movimento do TMD, e por isso no controlo da resposta da

estrutura.

A Figura 5.19 representa a variação dos deslocamentos absolutos em altura para cada uma das novas

6 soluções e para as duas melhores soluções anteriores, sem amortecimento.

A figura mostra que o amortecimento do TMD, ao controlar o seu movimento, pode melhorar a eficácia

do mesmo. As duas curvas sem amortecimento (𝜇 = 2% e 4 × 𝜇 = 0.5%) têm andamentos semelhantes

nas duas direcções, e são as que piores resultados apresentam.

Na direcção X, a principal diferença entre soluções dá-se no topo do edifício, onde as que têm o maior

coeficiente de amortecimento (tanto amortecimento óptimo e amortecimento de 12%) se destacam por

conduzirem aos melhores resultados.

Na direcção Y, a diferença é quase constante em toda a altura, sendo que, no topo, são as mesmas

soluções, com maior amortecimento, que levam à maior redução dos deslocamentos da estrutura.

O amortecimento do TMD restringe o seu movimento e, teoricamente, prejudica a sua eficácia. No

entanto, como se tinha já visto no estudo preliminar, para valores baixos de amortecimento, o

comportamento do mesmo pode ser melhorado por introdução de amortecimento.

Page 79: Análise da influência do uso de TMDs na resposta sísmica de ......Análise da influência do uso de TMDs na resposta sísmica de edifícios altos Maria Leonor Andrade e Sousa Braula

63

Figura 5.19 – Variação dos deslocamentos absolutos em altura para os vários testes do estudo paramétrico 2

Por se constatar que os esforços neste estudo paramétrico não apresentavam nenhuma particularidade

interessante ao estudo do amortecimento do TMD, e que a diferença relativamente ao modelo sem

amortecimento se concentrava nos deslocamentos da estrutura, optou-se por não apresentar nenhum

gráfico de esforços. No entanto, é importante referir que estes continuam a sofrer redução com a

introdução de amortecimento.

A Tabela 5.5 apresenta os deslocamentos relativos do TMD e esforços que se desenvolvem na ligação

à estrutura.

Tabela 5.5 - Esforço transverso e deslocamento relativo máximos para cada factor de amortecimento do TMD

4x0.5%

𝝃𝟐 1% Óptimo 12%

Direcção X Y X Y X Y

V (kN) 271.6 242.0 201.1 164.2 152.0 135.0

d (m) 0.461 0.581 0.327 0.455 0.270 0.373

2%

1% Óptimo 12%

X Y X Y X Y

1083.0 967.8 919.1 743.7 801.9 514.0

0.457 0.589 0.373 0.513 0.326 0.352

Tal como esperado, os deslocamentos do TMD reduzem-se em comparação com o modelo sem

amortecimento, e são tanto menores quanto maior o coeficiente de amortecimento. Os esforços de

ligação do TMD à estrutura também se reduzem com o aumento do seu amortecimento.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

-20.0% -15.0% -10.0% -5.0% 0.0%

Altura

(m

)

Variação (%)

Variação deslocamentos X

μ = 2%, sem amortecimento μ = 2%, amortecimento 1%

μ = 2%, amortecimento óptimo μ = 2%, amortecimento 12%

4x0.5%, sem amortecimento 4x0.5%, amortecimento 1%

4x0.5%, amortecimento óptimo 4x0.5%, amortecimento 12%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

-25.0% -20.0% -15.0% -10.0% -5.0% 0.0%

Variação deslocamentos Y

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64

Conclui-se que o amortecimento do TMD é um parâmetro que, para além de ser essencial no controlo

do movimento do TMD, é também benéfico para a sua eficácia. A título de exemplo, no modelo 𝜇 = 2%

simples, com o TMD no topo, a maior redução de deslocamentos era de 17.4%, passando a ser de

19.7% com a introdução do amortecimento óptimo no modelo.

Análise comparativa

Na Tabela 5.6 apresentam-se os resultados globais deste estudo, organizados por estudo paramétrico,

direcção da acção sísmica e zona do edifício: média dos 5 pisos superiores (topo), média dos 5 pisos

intermédios (meio) e média dos pisos todos (média).

Os resultados gerais da análise da influência do uso de TMDs no controlo da resposta do edifício alto

abordado são insatisfatórios. Uma hipótese para justificar a reduzida eficácia do TMD é a natureza

aleatória da acção sísmica. Como se viu no estudo preliminar, os efeitos do TMD numa estrutura sujeita

a uma acção harmónica são mais facilmente previsíveis. Quando a acção é aleatória, esses efeitos

tornam-se também, de certa forma, aleatórios, pois dependem em grande parte da relação entre a

frequência da aceleração, que é desconhecida, e a frequência própria de vibração do edifício.

Tabela 5.6 – Análise comparativa geral

Deslocamentos Topo Topo Meio Meio Média Média

Teste X Y X Y X Y

Factor 𝝁

0.5% -6.2% -5.9% -3.6% -6.6% -8.3% -10.7%

1% -9.0% -8.7% -4.6% -9.5% -7.4% -10.1%

1.5% -8.6% -9.6% -6.2% -11.5% -6.4% -8.6%

2% -8.1% -9.7% -8.3% -12.3% -4.6% -5.7%

Localização

2% meio -5.7% -4.1% -8.5% -12.8% -4.2% -4.0%

2x1% -8.9% -9.2% -5.4% -10.4% -7.0% -9.4%

4x0.5% -8.0% -9.9% -3.0% -4.7% -8.3% -11.0%

8x0.25% -8.8% -9.8% -7.6% -12.8% -8.3% -11.0%

Amortecimento do TMD

TMD 2%, amort 1% -9.5% -10.4% -8.6% -13.1% -9.5% -11.9%

TMD 2%, amort opt -13.1% -11.9% -9.2% -14.1% -10.5% -12.2%

TMD 2%, amort 12% -12.9% -11.7% -8.8% -13.9% -10.4% -12.0%

4x0.5%, amort 1% -9.4% -10.7% -8.8% -13.6% -8.9% -11.6%

4x0.5%, amort opt -12.6% -12.0% -9.2% -14.2% -10.2% -12.4%

4x0.5%, amort 12% -13.6% -12.4% -9.2% -14.0% -10.7% -12.4%

Compararam-se os resultados obtidos com os de outro estudo sobre a influência de TMDs no controlo

da vibração de um edifício alto (Tuan & Shang, 2014). Neste estudo, foi comparada a eficácia do TMD

no controlo da vibração quando a estrutura estava sujeita à acção do vento com a eficácia quando essa

acção era uma acção sísmica. Como estrutura base foi utilizado o modelo computacional do edifício

Taipei 101, um edifício com 449 m de altura equipado com um TMD de 660 ton. Neste estudo,

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65

obtiveram-se reduções dos deslocamentos no topo do edifício de 26% e 33% nas direcções X e Y,

respectivamente. Estes valores, apesar de superiores aos obtidos no presente estudo, não mostram

uma diferença significativa na eficácia do TMD no controlo de estruturas submetidas a uma acção

sísmica. Relativamente à acção do vento, os resultados do estudo mencionado foram superiores aos

resultados relativos à acção sísmica, de acordo com o concluido no presente estudo.

Estudo sobre acção sinusoidal

Para confirmar se parte da reduzida eficácia do TMD estava relacionada com a natureza aleatória da

acção sísmica, realizou-se um estudo da resposta da mesma estrutura com um TMD de 𝜇 = 2%,

impondo uma acção sinusoidal. Esta acção foi determinada de tal modo que o seu efeito em termos de

deslocamento máximo que provoca na estrutura fosse igual ao deslocamento máximo provocado pelo

conjunto dos 10 sismos considerados. Esse deslocamento foi obtido e apresentado anteriormente, e é

de 21.84 𝑐𝑚. Ao se realizar uma análise com uma acção sinusoidal de frequência igual à do 1º modo

de vibração da esturtura, obtém-se um deslocamento máximo que deve ser calibrado, pois não tem

significado real dado que a amplitude da acção não foi estudada. Deste modo, depois de obtido esse

deslocamento máximo (na ordem do metro), é possível calibrar a acção sinusoidal, diminuindo a sua

amplitude, de forma a que o deslocamento máximo tome o valor de 21.84𝑐𝑚. Para isso basta reduzir a

amplitude da acção na medida da relação entre o deslocamento máximo para o conjunto de sismos e

o deslocamento máximo para a acção sinusoidal em ressonância. Depois de efectuada essa calibração,

obtiveram-se os deslocamentos da estrutura sem TMD, e com um TMD no topo com 𝜇 = 2%.

A Tabela 5.7 apresenta a informação relativa à redução de deslocamentos devido ao TMD, para a

acção sinusoidal nas duas direcções. Em cada uma das direcções, foi utilizada uma acção sinusoidal

que igualava o deslocamento máximo da estrutura submetida à acção sísmica nessa direcção.

É possível ver que o TMD tem capacidade para controlar em 54.3% e 50% os deslocamentos da

estrutura na direcção Y e X, respectivamente. Revela uma extrema eficácia no controlo da resposta de

estruturas altas submetidas a acções harmónicas, não sendo tão eficaz quando a acção é de carácter

aleatório.

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66

Tabela 5.7 – Variação dos deslocamentos da estrutura para uma acção sinusoidal

Alinhamento 1

Sem TMD Com TMD Variação Sem TMD Com TMD Variação

Z Direcção Y Direcção X

127 0.199 0.0908 -54.3% 0.178 0.0890 -50.0%

123 0.191 0.0875 -54.2% 0.173 0.0871 -49.7%

119 0.184 0.0841 -54.2% 0.168 0.0849 -49.4%

115 0.176 0.0806 -54.2% 0.162 0.0826 -49.0%

111 0.168 0.0771 -54.2% 0.156 0.0802 -48.7%

107 0.161 0.0736 -54.2% 0.150 0.0776 -48.4%

103 0.153 0.0700 -54.2% 0.144 0.0748 -48.1%

99 0.145 0.0665 -54.2% 0.138 0.0719 -47.8%

95 0.137 0.0629 -54.2% 0.131 0.0689 -47.5%

91 0.130 0.0594 -54.2% 0.125 0.0658 -47.2%

87 0.122 0.0559 -54.2% 0.118 0.0626 -47.0%

83 0.114 0.0524 -54.2% 0.111 0.0593 -46.7%

79 0.107 0.0490 -54.1% 0.104 0.0560 -46.4%

75 0.099 0.0456 -54.1% 0.098 0.0527 -46.1%

71 0.092 0.0423 -54.1% 0.091 0.0494 -45.9%

67 0.085 0.0390 -54.1% 0.085 0.0461 -45.6%

63 0.078 0.0358 -54.1% 0.079 0.0429 -45.4%

59 0.071 0.0326 -54.1% 0.072 0.0397 -45.1%

55 0.064 0.0296 -54.1% 0.066 0.0365 -44.9%

51 0.058 0.0266 -54.1% 0.060 0.0333 -44.6%

47 0.052 0.0238 -54.1% 0.054 0.0302 -44.4%

43 0.046 0.0211 -54.1% 0.048 0.0271 -44.1%

39 0.040 0.0185 -54.1% 0.043 0.0240 -43.9%

35 0.035 0.0160 -54.1% 0.037 0.0211 -43.6%

30 0.029 0.0131 -54.0% 0.031 0.0175 -43.3%

25 0.023 0.0105 -54.0% 0.025 0.0140 -43.0%

20 0.018 0.0081 -54.0% 0.019 0.0108 -42.6%

15 0.013 0.0060 -54.0% 0.014 0.0079 -42.3%

10 0.009 0.0041 -54.0% 0.009 0.0053 -41.9%

5 0.005 0.0024 -54.0% 0.005 0.0029 -41.4%

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67

6 CONCLUSÕES E FUTUROS DESENVOLVIMENTOS

As estruturas altas são um desafio no âmbito da engenharia pela sua elevada vulnerabilidade às acções

horizontais. A resposta destas estruturas a uma acção dinâmica horizontal como a acção sísmica

depende largamente das suas características dinâmicas. O TMD é um tipo de protecção sísmica que

actua sobre a estrutura de forma a melhorar as suas características dinâmicas e assim a sua resposta

a qualquer acção dinâmica.

O TMD (do inglês Tuned Mass Damper) é um dispositivo constituído por uma massa que se adiciona à

estrutura original, ligada à mesma por meio de molas (ou outro meio elástico flexível) e amortecedores,

que surgiu da comprovação da transferência de energia de um sistema principal excitado externamente

a outro sistema secundário não excitado directamente e acoplado ao primeiro. O TMD actua ao exercer

uma reacção sobre a estrutura principal (através da mola e amortecedor) de sentido contrário ao

movimento provocado pela acção externa que se quer anular. O processo de dimensionamento de um

TMD começa pela análise dos modos de vibração da estrutura e escolha daquele (ou daqueles) que

se pretende anular, sendo depois escolhido, com base em critérios económicos, estéticos, funcionais

e de serviço, o valor de massa que se pretende utilizar. Depois disto é necessário calcular a rigidez dos

meios de ligação à estrutura de modo a que a frequência de vibração do TMD tome o valor pretendido

(geralmente, o valor da frequência do modo de vibração que se pretende controlar).

Nesta dissertação foram testados os fundamentos teóricos do TMD formulados no passado através de

estudos paramétricos numéricos em duas estruturas: um oscilador de um grau de liberdade e uma

estrutura real de um edifício alto.

Através do estudo sobre um oscilador de um grau de liberdade foi possível verificar que a influência de

cada parâmetro do TMD sobre o comportamento do oscilador tem maior evidencia quando este é

excitado por uma acção harmónica. Nestas condições, um aumento da massa do TMD apresenta

vantagens até certo ponto (quando a rigidez necessária para a frequência requerida do TMD torna a

ligação demasiado rígida), o amortecimento do TMD para valores relativamente baixos apresenta

também vantagens relativamente a uma situação sem amortecimento até certo ponto (onde a

rigidificação do TMD se torna prejudicial também), a frequência do TMD deve estar próxima da

frequência óptima dada pela expressão (3.6) e, por fim, o aumento do amortecimento no oscilador

apenas provoca uma redução da eficácia do TMD.

Quando a acção imposta é uma acção sísmica, as tendências descritas anteriormente já não são

visíveis. A eficácia do TMD é muito condicionada pela relação entre a frequência da excitação e as

frequências de vibração da estrutura de dois graus de liberdade constituída pelo oscilador e pelo TMD.

Sendo a acção sísmica uma acção de carácter aleatório consituída por diversas ondas cada uma com

determinadas frequências, existem múltiplas situações (e não uma, como acontecia na acção sinuoidal)

em que a estrutura pode entrar num comportamento perto da ressonância. Deste modo, o que se pode

concluir do estudo sobre um oscilador com uma acção sísmica é que os parâmetros relacionados com

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68

a massa e rigidez da estrutura, aqueles que afectam a análise modal da mesma, devem ser escolhidos

com base num estudo numérico ou experimental em que se submete a estrutura a um conjunto

representativo de funções de carácter aleatório que simulem uma acção sísmica. Parâmetros como os

factores de amortecimento do TMD e do oscilador, têm uma influência previsível sobre a eficácia do

TMD no controlo da resposta do oscilador, sendo possível afimar que esta eficácia se maximiza na

situação em que o amortecimento do TMD é o amortecimento óptimo, dado pela equação (3.7), e o

amortecimento estrutural é o mais baixo possível (tendo em conta que, muitas vezes, este não é uma

característica controlável).

O estudo sobre um edifício alto real baseou-se em testes onde se fizeram variar três parâmetros do

TMD: a massa, a localização (ou o desacoplamento em múltiplos TMDs) e o amortecimento. Foi

possível verificar desde o início uma pequena influência do TMD no controlo da resposta do edifício. A

percentagem de massa revelou-se mais influente quanto maior era (tendo um máximo no caso de 𝜇 =

2%). A localização do TMD apresentou resultados insatisfatórios quando foi alterada para múltiplos

TMDs em altura. No entanto, quando estes foram distribuídos em planta, registaram-se melhorias tanto

a nível de redução de deslocamentos como de esforços na estrutura. Esta melhoria deve-se ao controlo

do modo de torção, que na estrutura livre é o 2º modo. Ao se desacoplar o TMD num grupo de TMDs

distribuídos em planta, cada um pode ter um movimento independente, contrariando o movimento de

rotação em torno de um eixo vertical ao controlar cada extremo do piso onde estão aplicados. O

amortecimento do TMD revelou também uma influência positiva na eficácia do mesmo. Contudo, a

conclusão a que se chega é que, para a estrutura em questão, o TMD não é um dispositivo de protecção

sísmica com resultados satisfatórios, quando comparado com outros dispositivos de dissipação de

energia.

A conclusão mais importante a retirar é a inaptidão do TMD no controlo de estruturas para uma acção

aleatória. Ao se comparar os resultados no controlo de uma estrutura submetida a uma acção

harmónica, em que o TMD é sintonizado para igualar a frequência da acção, com os resultados quando

essa acção é sísmica, constata-se que existe uma diferença muito grande na sua eficácia, sendo a

situação da acção sísmica a que piores resultados dá.

Por último, é importante referir que, no âmbito deste trabalho, não se tomaram em conta factores

externos como o custo, as condicionantes à localização, a estética e a conformidade com os critérios

de serviço exigidos, que, num contexto real, são de grande importância na decisão do tipo de dispositivo

de protecção sísmica a adoptar e no seu dimensionamento.

Para futuros estudos sobre o tema, sugere-se uma análise sobre outros edifícios altos com

propriedades dinâmicas diferentes, de modo a se poder alargar a conclusão retirada deste trabalho aos

edifícios altos em geral. Considera-se também pertinente a realização de uma análise integrada das

várias variáveis que influenciam a escolha de um tipo de protecção sísmica a aplicar num edifício alto,

como por exemplo o seu custo (de aquisição, construção e manutenção), a estética da solução e a

eficácia no controlo de deslocamentos, acelerações e esforços da estrutura.

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69

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71

8 ANEXOS

8.1 ANEXO 1 – ACELEROGRAMAS UTILIZADOS

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Acele

ração (

m/s

2)

Tempo (s)

Acelerograma 1

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Acele

ração (

m/s

2)

Tempo (s)

Acelerograma 2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Acele

ração (

m/s

2)

Tempo (s)

Acelerograma 3

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72

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Acele

ração (

m/s

2)

Tempo (s)

Acelerograma 4

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Acele

ração (

m/s

2)

Tempo (s)

Acelerograma 5

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Acele

ração (

m/s

2)

Tempo (s)

Acelerograma 6

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Acele

ração (

m/s

2)

Tempo (s)

Acelerograma 7

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73

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Acele

ração (

m/s

2)

Tempo (s)

Acelerograma 8

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Acele

ração (

m/s

2)

Tempo (s)

Acelerograma 9

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Acele

ração (

m/s

2)

Tempo (s)

Acelerograma 10

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74

8.2 ANEXO 2 – VARIAÇÃO DOS DESLOCAMENTOS COM AS SOLUÇÕES 𝝁 = 𝟒% E 𝝁 = 𝟓%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

-25.0% -20.0% -15.0% -10.0% -5.0% 0.0%

Altura

(m

)

Variação

Deslocamentos em Y

μ = 5% μ = 4% μ = 2%

μ = 1.5% μ = 1% μ = 0.5%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

-20.0% -15.0% -10.0% -5.0% 0.0%

Altru

a (

m)

Variação

Deslocamentos em X

μ = 5% μ = 4% μ = 2%

μ = 1.5% μ = 1% μ = 0.5%