E XEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROLO EM ESTRUTURAS

Desde da década de 80 do séc. XX, vários autores têm-se dedicado ao estado-da-arte dos sistemas de controlo em estruturas. Se até ao início deste século seria relativamente simples apresentar as várias aplicações conhecidas ao longo duma lista à semelhança do que fez Spencer Jr. (Dallard et al., 2001), face ao grande número de aplicações que ocorreram desde então, essa lista para além de extensa poderá sempre conter omissões. Assim sendo, apresentam-se, a título de exemplo, algumas aplicações de sistemas de controlo em estruturas.

4.2.7.1. Sistemas passivos

Os sistemas de controlo passivo são aplicados em estruturas de engenharia civil desde há várias décadas. A torre de televisão CN Tower em Toronto (Figura 4.11), construída em 1975 e com 553m de altura, tem dois TMDs para controlo da vibração sob a ação do vento, e constituiu a primeira aplicação em estruturas com estas características. O edifício Taipei 101 (Figura 4.11), construído mais recentemente (2005), tem instalado no topo um TMD de funcionamento pendular constituído por uma massa de geometria esférica de 650ton, suspensa através de 4 cabos de aço e amortecida pela adaptação à base de 8 amortecedores viscosos. Este TMD tem a função de atenuar a resposta estrutural devida à ação do vento e à ação sísmica. Outro exemplo de aplicação de sistemas passivos em estruturas, é a ponte Akashi Kaikyo no Japão, a qual foi concluída em 1998 tendo sido à data, o recorde do maior vão do mundo com uma extensão de 1991m. Durante a sua construção, foram instalados 20 TMDs distribuídos pelas duas torres no sentido de amortecer as vibrações nos pilares em consola caracterizados por baixas frequências (0,13 e 0,46Hz nas duas direções principais) (Moutinho, 2007).

4.12

Figura 4.11 – CN Tower em Toronto, Canadá (à esquerda) (Wladyslaw, 2008); Edifício Taipei 101, Taiwan, China (ao centro) (Greg, 2007); Ponte Akashi-Kaikyo, Japão (à direita) (Rötzel, 2005)

Em 2007, foi concluída a construção do primeiro edifício com isolamento total de base em Portugal. O Hospital da Luz em Lisboa, contém 315 aparelhos de apoio do tipo HDRB (High Damping Rubber

Bearing) para isolamento de base, como forma de garantir o isolamento da estrutura quer às ações

sísmicas, quer às vibrações induzidas pela passagem das composições do metropolitano nas galerias existentes nas imediações do hospital (Ferreira, 2006).

A ponte pedonal Pedro e Inês em Coimbra, concluída em 2006, é um dos principais exemplos de aplicação de sistemas de controlo passivo em pontes pedonais em Portugal (Caetano et al., 2010).

4.2.7.2. Sistemas ativos

Embora se conheçam alguns estudos e aplicações de sistemas de controlo de ativo que podem ser adaptados em pórticos de edifícios ou estruturas em geral, tais como diagonais ou cabos ativos, a maior parte das aplicações centra-se na utilização de AMDs, porque estes têm a vantagem de poderem ser adaptados nos elementos estruturais onde os principais modos de vibração têm componentes modais significativas, como por exemplo no topo dos edifícios (André, 2004) (Moutinho, 2007).

Figura 4.12 – Edifício Kyobashi, Tóquio, Japão (Moutinho, 2007); Torre de comunicações de Nanjing, China (Ryu, 2010).

4.13 Em 1987, foi aplicado pela primeira vez um sistema com AMDs (dois) no edifício Kyobashi Center localizado em Tóquio, tendo como objetivo proporcionar aos seus utilizadores algum nível de conforto quando o edifício for perturbado por ações sísmicas de baixa intensidade, frequentes em Tóquio, ou por ventos fortes, estando o sistema dimensionado para obter uma redução da resposta estrutural entre 35 e 50% (Moutinho, 2007). A torre de comunicações de Nanjing na China é outro exemplo de aplicação de sistemas de controlo ativo em estruturas, a qual apresentava acelerações que excediam os limites de conforto de 0,15m/s2 _{ao nível do piso da sala de controlo localizada a 240m de altura, sendo por isso} necessário a introdução de um sistema de controlo, no caso AMD’s (Helgenson et al., 1999).

4.2.7.3. Sistemas semi-ativos

A implementação de sistemas semi-ativos em estruturas reais teve grande impulso no início da década de 90, altura em que se instalou pela primeira vez um sistema deste género baseado na alteração ativa da rigidez (“Ative Variable Stiffness”, AVS) de diagonais integradas na estrutura do edifício do Kajima

Technical Research Institute em Tóquio. Desta forma, dota-se o edifício de rigidez variável ativa com

o objetivo de evitar fenómenos de ressonância, potenciais causadores de danos estruturais. Estes dispositivos estão instalados em diagonais do edifício de 3 pisos, sendo constituídos por cilindros hidráulicos regulados por válvulas que permitem comandar instantaneamente o bloqueio ou desbloqueio das barras, mobilizando ou desmobilizando a sua rigidez axial.

Figura 4.13 - Edifício do Kajima Technical Research Institute (Moutinho, 2007) (André, 2004)

Ultimamente têm também sido propostos e implementados sistemas semi-ativos baseados na utilização de amortecedores de viscosidade variável, com particular interesse para os amortecedores magnetoreológicos. Estes podem ser utilizados quer no controlo das estruturas sob a ação sísmica, quer no controlo de vibrações em fase de serviço, como é o caso das pontes de tirantes (Moutinho, 2007). Face ao grande número de pontes de tirantes construídas na China nas últimas duas décadas, têm sido efetuados diversos estudos sobre a aplicação de dispositivos semi-ativos, no controlo da vibração dos tirantes, bem como algumas aplicações práticas (Helgeson et al., 1999). A ponte Dongting Lake na China é um exemplo da aplicação destes dispositivos (Huang et al., 2012). Após a sua construção em 1999, e de forma a controlar as vibrações induzidas pela ação do vento e da chuva, foi necessário instalar 156 amortecedores magnetoreológicos (Li et al., 2007).

actuador (VSD) controlador sensores acelerómetro unidade de energia de reserva atuador

4.14

Figura 4.14 – Ponte de Dongting Lake, China - Em fase de construção (Che et al., 2003), amortecedores semi- ativos aplicados nos tirantes (Moutinho, 2007)

4.2.7.4. Sistemas híbridos

A designação de sistema híbrido está tradicionalmente associada à conjugação de sistemas passivos com ativos. Neste grupo, os sistemas mais conhecidos são os HMDs (Hybrid Mass Dampers) que resultam da combinação de TMDs com sistemas ativos, com inúmeras implementações em edifícios (nomeadamente no Japão). Como exemplo, apresenta-se o edifício Shinjuku Park Tower em Tóquio, com 52 andares e 235m de altura, no qual foram aplicadas HMD’s para controlo de vibrações. Com este tipo de sistema híbrido procura-se explorar o efeito passivo das forças de inércia dos TMDs e implementar um sistema ativo paralelo de modo a melhorar o desempenho do aparelho, quer amplificando ainda mais o movimento da massa passiva quer aumentando a robustez do dispositivo face a problemas de sintonização. Assim, o sistema ativo é menos solicitado do que se atuasse isoladamente, obtendo-se uma redução significativa do custo direto do sistema, do consumo de energia elétrica e dos custos de manutenção (Moutinho, 2007).

Figura 4.15 – Edifício Shinjuku Park Tower, Tóquio, Japão (NASA Science, 2013); HMD - apresentação esquemática (Morio, 2013)