DISSIPADORES VISCOSOS

Como já foi descrito anteriormente, existem sistemas de dissipação que dissipam a energia com base em vários fenómenos físicos: por deformação plástica: de metais, por atrito ou através de um comportamento viscoelástico. Todos estes tipos de dissipadores utilizam a acção de materiais sólidos para dissipar energia. No entanto, como será discutido no presente capítulo, os fluidos também podem ser utilizados em sistemas de protecção sísmica do tipo dissipador. Os dissipadores viscosos são compostos por um cilindro contendo um fluido de alta viscosidade, e um pistão livre que se pode movimentar em ambos os sentidos, criando duas câmaras, tal como se esquematiza na Figura 3.1.

Figura 3.1 Esquema da constituição de um dissipador viscoso [adaptado de (D. Lee, 2001)].

O seu funcionamento é simples: durante a actuação de um sismo, a força gerada pela aceleração imposta é transmitida ao dissipador, no qual existe um “circuito” hidráulico apropriadamente projectado, que controla a passagem do fluido através de pequenos orifícios em que o líquido é comprimido de uma câmara para a outra devido ao movimento relativo entre as duas extremidades do dissipador, Figura 3.2. A energia dissipada é função da velocidade com que o fluido atravessa os orifícios. Quanto maior for a velocidade, maior será a energia dissipada pelo amortecedor viscoso. Dependendo de cada caso de aplicação, podem-se usar fluidos mais ou menos viscosos, de acordo com a quantidade de energia que se deseja dissipar (Cardozo, 2010).

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Figura 3.2 – Esquema de um dissipador viscoso (FIP Industriale).

A força gerada num dissipador viscoso é caracterizada por uma lei constitutiva expressa pela seguinte relação:

Onde:

– força no elemento dissipador;

V – velocidade relativa entre as extremidades do dissipador;

– constante característica do dissipador, função do seu diâmetro e da área de orifícios da passagem do líquido;

– constante característica da viscosidade do fluído. O valor de pode variar entre 0,1 e 1,80 de acordo com a viscosidade do fluido e do tipo de válvulas do dissipador (Guerreiro, 2006).

De uma forma geral, o aparelho transmite à estrutura uma força pouco significativa para situações em que a velocidade relativa entre as extremidades do dissipador é pequena, sendo o caso das variações térmicas, da retracção e da fluência. Contudo, quando a velocidade é elevada, no caso dos sismos e de acções dinâmicas como o vento em edifícios altos, o dissipador reage com a força para o qual foi dimensionado.

O tipo de relação força-velocidade que cada tipo de dissipador apresenta, depende essencialmente das características de fluido utilizado, que neste caso se traduz na variação da constante característica do dissipador, α, que como mostra a Figura 3.3, conduz a comportamentos distintos.

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 α < 1 - a força cresce bruscamente para baixas velocidades atingindo um limite máximo. Deste modo, o dissipador comporta-se como um aparelho “fixo” para estes valores de velocidade, o que permite controlar a máxima força transmitida para a estrutura.

 α = 1 - a força cresce linearmente com a velocidade. Aplica-se directamente o conceito de coeficiente de amortecimento (ζ).

 α > 1 - o dissipador comporta-se como um aparelho “móvel”, uma vez que, para solicitações com valores baixos de velocidade, a força no dispositivo é quase nula. Só quando actuado por velocidades significativas é que este tipo de dissipadores exerce influência na resposta da estrutura. Os dissipadores viscosos com esta característica são designados por shock absorbers (Loureiro, 2008).

Relativamente ao amortecimento que um determinado dissipador introduz na estrutura, este é medido pela sua capacidade de dissipação de energia em cada ciclo, e que no caso dos dissipadores viscosos é devido ao seu comportamento viscoso.

A energia dissipada em cada ciclo pode ser avaliada através do cálculo da área interior do ciclo medida na curva que relaciona a força no dissipador com a sua deformação, Figura 3.4, uma vez que está relacionada com o valor do coeficiente de amortecimento equivalente , que pode ser estimado, a partir da seguinte expressão:

– máxima força medida na estrutura,

– máxima deformação medida na estrutura.

Figura 3.4 – Relação Força-Deformação do dissipador (Guerreiro, 2006).

Assim, a capacidade de dissipação de energia de um dissipador será tanto maior quanto mais “rectangular” for o seu ciclo completo, na relação força-deformação.

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Como se pode verificar pela Figura 3.5, quanto mais próximo de zero for o valor de α maior será a área do ciclo e, consequentemente, a quantidade de energia dissipada por ciclo para um esforço máximo na estrutura.

Figura 3.5 – Diagrama típico da relação Força-Deslocamento do dissipador para um valor de α entre 0,015 e 1 (Alga)

Pode-se concluir, que para optimizar o resultado, deve-se utilizar um valor de α o mais baixo possível, que no limite será de 0,1. Este valor poderá no futuro diminuir, mas dependerá sempre de desenvolvimentos tecnológicos para melhorar o comportamento e a viscosidade dos fluidos a usar nos dissipadores viscosos.

Em relação às características do dissipador, o parâmetro C não altera a forma do ciclo força-deformação, contudo, aumenta a área interna do ciclo. O aumento do valor de C conduz a uma maior capacidade de dissipação de energia mas, em contrapartida, aumenta a força no dissipador, Figura 3.6.

Figura 3.6 – Diagrama típico da relação Força-Deslocamento do dissipador para um valor de α=0,1 e para um valor de C entre 2000 e 3000 (Guerreiro, 2006)

Estes dispositivos têm características e limitações específicas, estando o seu dimensionamento fortemente relacionado com as relações força-deslocamento apresentadas, e com as características próprias das estruturas onde são instalados.

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Por fim apresentam-se as principais características dos dissipadores viscosos:

 Altos valores de coeficiente de amortecimento;

 Não necessitam de grande manutenção, pois todas as partes do circuito hidráulico estão dentro do aparelho e por isso protegidas (Alga b);

 O período de vida dos dissipadores é em média superior ao tempo de vida do edifício onde é instalado (Taylor Devices b).

 Os dissipadores podem ser instalados em edifícios novos e existentes com bastante facilidade, uma vez que podem ser incorporados numa estrutura sem comprometer arquitectonicamente o edifício. Este facto torna-os extremamente versáteis para qualquer aplicação.

 Como consequência da dissipação da energia sísmica, a sua utilização permite simultaneamente a redução dos esforços e das deformações de uma estrutura, resultando numa redução de danos em elementos estruturais e não estruturais (Taylor, et al.), sem que para isso acrescente rigidez ao edifício, pois o período fundamental da estrutura permanece o mesmo. A experiência com esses projectos mostra que a instalação de dissipadores viscosos em edifícios pode reduzir até cerca de 50% das acelerações e dos deslocamentos entre pisos (Constantinou, 1992) (Hussain, et al.).